Forskere bringer teoretiseret ledningsmekanisme til live

Mennesker har udnyttet store dele af det elektromagnetiske spektrum til forskellige teknologier, fra røntgen til radioer, men en del af det spektrum er stort set forblevet uden for rækkevidde. Dette er kendt som terahertz-gabet, placeret mellem radiobølger og infrarød stråling, to dele af det spektrum, vi bruger i dagligdags teknologier, herunder mobiltelefoner, TV-fjernbetjeninger og brødristere.

En teori udviklet af den afdøde Stanford-professor og nobelpristager Felix Bloch foreslog, at et specielt struktureret materiale, der tillod elektroner at oscillere på en bestemt måde, måske kunne lede disse eftertragtede terahertz-signaler.

Nu, årtier efter Blochs teori, Stanford-fysikere kan have udviklet materialer, der muliggør disse teoretiserede oscillationer, en dag giver mulighed for forbedringer i teknologier fra solceller til lufthavnsscannere. Gruppen offentliggjorde deres resultater i 29. september-udgaven af Videnskab .

Innovationer i supergittermaterialer

Forskere har længe troet, at materialer med gentagne rumlige mønstre på nanoskalaen kunne tillade Blochs svingninger, men teknologien er kun lige ved at indhente teorien. Et sådant materiale kræver, at elektroner rejser lange afstande uden afbøjning, hvor selv den mindste ufuldkommenhed i mediet, som elektronerne strømmer igennem, kan afskrække dem fra deres oprindelige vej, som et vandløb, der forsøger at snore sig over og omkring klipper og væltede træer.

Den spirende forskning inden for todimensionelle materialer og supergitter kan gøre denne type materiale til virkelighed. Supergitter er halvledere lavet af lagdeling af ultratynde materialer, hvis atomer er arrangeret i et periodisk gittermønster.

Til denne undersøgelse, forskerne skabte et todimensionelt supergitter ved at sætte et ark atomisk tyndt grafen ind mellem to plader elektrisk isolerende bornitrid. Atomerne i grafen og bornitrid har lidt forskellig afstand, så når de stables oven på hinanden skaber de et specielt bølgeinterferensmønster kaldet et moirémønster.

Ny anvendelse af elektroner

Beskyttet mod luft og forurenende stoffer med bornitrid over og under, elektroner i grafen strømmer langs glatte baner uden afbøjning, præcis som teorien foreslog ville være nødvendig for at udføre terahertz-signaler. Forskerne var i stand til at sende elektroner gennem grafenarket, saml dem på den anden side og brug dem til på den måde at udlede elektronernes aktivitet undervejs.

Som regel, når en spænding påføres over en krystal, elektroner accelereres kontinuerligt i retning af det elektriske felt, indtil de afbøjes. I dette moiré supergitter, forskere viste, at elektronerne kan begrænses til smallere energibånd, sagde fysikprofessor David Goldhaber-Gordon, medforfatter til undersøgelsen. Kombineret med meget lange tider mellem afbøjningerne, dette skulle få elektronerne til at oscillere på plads og udsende stråling i terahertz-frekvensområdet. Dette er en grundlæggende succes på vejen mod at skabe kontrolleret emission og sansning af terahertz-frekvenser.

Udover at bringe Blochs teori tættere på virkeligheden, fandt forskerne en fuldstændig overraskende ændring i den elektroniske struktur af deres supergittermateriale.

"I halvledere, som silicium, vi kan indstille, hvor mange elektroner der er pakket ind i dette materiale, " sagde Goldhaber-Gordon. "Hvis vi sætter ekstra ind, de opfører sig som om de er negativt ladede. Hvis vi tager nogle ud, strømmen, der bevæger sig gennem systemet, opfører sig, som om den i stedet består af positive ladninger, selvom vi ved, at det hele er elektroner."

Men dette supergitter bringer et nyt twist:Tilføjelse af endnu flere elektroner producerer partikler med positiv ladning, og ved at tage endnu mere tilbage til negativ ladning.

Fremtidige anvendelser af denne vending i elektronernes karakter kan komme i form af mere effektive p-n-kryds, som er afgørende byggesten til de fleste halvleder elektroniske enheder såsom solceller, LED'er og transistorer. Normalt, hvis man skinner lys på et p-n kryds, udsendelse af en elektron for hver absorberet foton betragtes som fremragende ydeevne. Men disse nye kryds kan udsende flere elektroner pr. foton, høster lysets energi mere effektivt.

Terahertz og Stanford, fortid og fremtid

Selvom denne nye forskning endnu ikke har skabt en Bloch-oscillator, forskerne har opnået det første skridt ved at vise, at en elektrons momentum og hastighed kan bevares over lange tider og afstande inden for dette supergitter, sagde Menyoung Lee, medforfatter til undersøgelsen, der udførte forskningen som kandidatstuderende i Goldhaber-Gordon Group.

"Vi anvender de allerførste originale lektioner om faststoffysik, som Felix Bloch fandt ud af for længe siden, og det viser sig, at vi kan bruge det til at drive unikke ledningsfænomener i nye konstruerede materialer, " sagde Lee.

Terahertz-frekvensteknologi kan i sidste ende være en forbedring af nutidens teknologier. Når amerikanske lufthavne i dag scanner passagerer ved sikkerhedskontrollen, de bruger mikrobølger, som penetrerer ikke-metalmaterialer for at afsløre skjulte metalgenstande. Goldhaber-Gordon forklarede, at terahertz har lignende transmissionsegenskaber, men kortere bølgelængde, potentielt afsløre selv ikke-metal skjulte genstande i høj opløsning. Han tilføjede, at terahertz-scannere også kunne bruges til at detektere defekter såsom skjulte hulrum i genstande på et produktionsbånd.

Den rene elektroniske ledning, der blev demonstreret i dette arbejde, fremmede også forståelsen af ​​de måder, hvorpå elektroner interagerer og flyder, og Goldhaber-Gordon sagde, at hans laboratorium planlægger at bruge denne indsigt til at arbejde på at skabe ekstremt smalle elektronstråler til at sende gennem supergitter. Han kaldte dette nye felt "elektronoptik i 2D-materialer", fordi disse stråler bevæger sig i lige linjer og adlyder brydningslovene på samme måde som lysstråler.

"Dette bliver et område, der åbner op for en masse nye muligheder, " sagde Goldhaber-Gordon, "og vi er lige i begyndelsen af ​​at udforske, hvad vi kan gøre."