Nye, meget justerbare kompositmaterialer – med et twist

Hold øje med de mønstre, der skabes, når cirklerne bevæger sig hen over hinanden. Disse mønstre, skabt af to sæt linjer forskudt fra hinanden, kaldes moiré (udtales mwar-AY) effekter. Som optiske illusioner skaber moiré-mønstre pæne simulationer af bevægelse. Men på atomær skala, når et ark af atomer arrangeret i et gitter er lidt forskudt fra et andet ark, kan disse moiré-mønstre skabe noget spændende og vigtig fysik med interessante og usædvanlige elektroniske egenskaber.

Matematikere ved University of Utah har fundet ud af, at de kan designe en række kompositmaterialer ud fra moiré-mønstre skabt ved at rotere og strække et gitter i forhold til et andet. Deres elektriske og andre fysiske egenskaber kan ændre sig - nogle gange ret brat, afhængigt af om de resulterende moiré-mønstre regelmæssigt gentages eller ikke gentages. Deres resultater er offentliggjort i Communications Physics .

Matematikken og fysikken i disse snoede gitter gælder for en lang række materialeegenskaber, siger Kenneth Golden, fremtrædende professor i matematik. "Den underliggende teori gælder også for materialer på en lang række af længdeskalaer, fra nanometer til kilometer, hvilket viser, hvor bredt omfanget er for potentielle teknologiske anvendelser af vores resultater."

Med et twist

Før vi når frem til disse nye resultater, skal vi kortlægge historien om to vigtige begreber:aperiodisk geometri og twistronik.

Aperiodisk geometri betyder mønstre, der ikke gentages. Et eksempel er Penrose-flisemønsteret af romber. Hvis du tegner en boks rundt om en del af mønsteret og begynder at glide den i en hvilken som helst retning uden at rotere den, vil du aldrig finde en del af mønsteret, der matcher det.

Aperiodiske mønstre designet for over 1000 år siden dukkede op i Girih-fliser brugt i islamisk arkitektur. For nylig, i begyndelsen af ​​1980'erne, opdagede materialeforsker Dan Shechtman en krystal med en aperiodisk atomstruktur. Denne revolutionerede krystallografi, eftersom den klassiske definition af en krystal kun inkluderer regelmæssigt gentagne atommønstre, og gav Shechtman Nobelprisen i kemi i 2011.

Okay, nu til twistronics, et felt, der også har en Nobel i sin slægt. I 2010 vandt Andre Geim og Konstantin Novoselov Nobelprisen i fysik for at opdage grafen, et materiale, der er lavet af et enkelt lag kulstofatomer i et gitter, der ligner hønsenet. Grafen i sig selv har sin egen række af interessante egenskaber, men i de senere år har fysikere fundet ud af, at når du stabler to lag grafen og drejer det ene lidt, bliver det resulterende materiale en superleder, der tilfældigvis også er ekstraordinært stærk. Dette studieområde af de elektroniske egenskaber af snoet dobbeltlagsgrafen kaldes "twistronics."

Tofaset kompositmateriale

I den nye undersøgelse forestillede Golden og hans kolleger sig noget andet. Det er ligesom twistronics, men i stedet for to lag af atomer bestemmer moiré-mønstrene dannet af interfererende gitter, hvordan to forskellige materialekomponenter, såsom en god leder og en dårlig, er arrangeret geometrisk i et kompositmateriale. De kalder det nye materiale en "snoet dobbeltlagskomposit", da det ene af gitterne er snoet og/eller strakt i forhold til det andet. Ved at udforske matematikken i et sådant materiale fandt de ud af, at moiré-mønstre frembragte nogle overraskende egenskaber.

"Da drejningsvinklen og skalaparametrene varierer, giver disse mønstre utallige mikrogeometrier, med meget små ændringer i parametrene, der forårsager meget store ændringer i materialeegenskaberne," siger Ben Murphy, medforfatter af papiret og adjunkt i matematik.

Drejning af et gitter kun to grader, for eksempel, kan få moiré-mønstrene til at gå fra regelmæssigt at gentage til ikke-gentage - og endda synes at være tilfældigt uordnede, selvom alle mønstrene er ikke-tilfældige. Hvis mønsteret er ordnet og periodisk, kan materialet lede elektrisk strøm meget godt eller slet ikke, viser on/off adfærd svarende til halvledere, der bruges i computerchips. Men for de aperiodiske, uordnede mønstre kan materialet være en strømklemmende isolator, "svarende til gummiet på håndtaget på et værktøj, der hjælper med at eliminere elektrisk stød," siger David Morison, hovedforfatter af undersøgelsen, som for nylig afsluttede sin ph.d. i fysik ved University of Utah under Goldens supervision.

Denne form for pludselig overgang fra elektrisk leder til isolator mindede forskerne om endnu en nobelvindende opdagelse:Anderson-lokaliseringsovergangen for kvanteledere. Denne opdagelse, som vandt Nobelprisen i fysik i 1977, forklarer, hvordan en elektron kan bevæge sig frit gennem et materiale (en leder) eller blive fanget eller lokaliseret (en isolator), ved hjælp af matematikken om bølgespredning og interferens. Men Golden siger, at de kvantebølgeligninger, Anderson brugte, ikke virker på skalaen af ​​disse snoede dobbeltlagskompositter, så der må være noget andet i gang for at skabe denne leder/isolatoreffekt. "Vi observerer en geometri-drevet lokaliseringsovergang, der ikke har noget at gøre med bølgespredning eller interferenseffekter, hvilket er en overraskende og uventet opdagelse," siger Golden.

The electromagnetic properties of these new materials vary so much with just tiny changes in the twist angle that engineers may someday use that variation to precisely tune a material's properties and select, for example, the visible frequencies of light (a.k.a. colors) that the material will allow to pass through and the frequencies it will block.

"Moreover, our mathematical framework applies to tuning other properties of these materials, such as magnetic, diffusive and thermal, as well as optical and electrical," says professor of mathematics and study co-author Elena Cherkaev, "and points toward the possibility of similar behavior in acoustic and other mechanical analogues." + Udforsk yderligere

Researchers enhance charge density waves by moiré engineering in twisted hterostructures