Fysikere navngiver og kodificerer nyt felt inden for nanoteknologi:elektronkvantemetamaterialer

Når to atomisk tynde todimensionelle lag stables oven på hinanden, og det ene lag får det til at rotere mod det andet lag, de begynder at producere mønstre - de velkendte moiré-mønstre - som ingen af ​​lagene kan generere alene, og som letter passagen af ​​lys og elektroner, giver mulighed for materialer, der udviser usædvanlige fænomener. For eksempel, når to grafenlag er overlejret og vinklen mellem dem er 1,1 grader, materialet bliver en superleder.

"Det er lidt som at køre forbi en vingård og kigge ud af vinduet på vingårdsrækkerne. Nu og da, du ser ingen rækker, fordi du kigger direkte langs en række, " sagde Nathaniel Gabor, en lektor i Institut for Fysik og Astronomi ved University of California, Riverside. "Dette svarer til, hvad der sker, når to atomlag stables oven på hinanden. Ved visse drejningsvinkler, alt er energisk tilladt. Det er helt rigtigt for at give mulighed for interessante muligheder for energioverførsel."

Dette er fremtiden for nye materialer, der syntetiseres ved at vride og stable atomisk tynde lag, og er stadig i "alkymi"-stadiet, tilføjede Gabor. For at bringe det hele under ét tag, han og fysiker Justin C. W. Song fra Nanyang Technological University, Singapore, har foreslået, at dette forskningsfelt kaldes "elektronkvantemetamaterialer" og har netop offentliggjort en perspektivartikel i Natur nanoteknologi .

"Vi fremhæver potentialet ved at konstruere syntetiske periodiske arrays med funktionsstørrelser under en elektrons bølgelængde. En sådan teknik gør det muligt at manipulere elektronerne på usædvanlige måder, resulterer i en ny række syntetiske kvantemetamaterialer med ukonventionelle responser, " sagde Gabor.

Metamaterialer er en klasse af materialer, der er konstrueret til at producere egenskaber, der ikke forekommer naturligt. Eksempler omfatter optiske tilsløringsanordninger og superlinser, der ligner Fresnel-linsen, som fyrtårne ​​bruger. Natur, også, har taget sådanne teknikker til sig – f.eks. i den unikke farve af sommerfuglevinger - for at manipulere fotoner, når de bevæger sig gennem strukturer i nanoskala.

"I modsætning til fotoner, der næppe interagerer med hinanden, imidlertid, elektroner i subbølgelængde strukturerede metamaterialer er ladede, og de interagerer stærkt, " sagde Gabor. "Resultatet er en enorm variation af nye fænomener og radikalt nye klasser af interagerende kvantemetamaterialer."

Gabor og Song var inviteret af Natur nanoteknologi at skrive en anmeldelse. Men parret valgte at dykke dybere og udlægge den grundlæggende fysik, der kan forklare meget af forskningen i elektronkvantemetamaterialer. De skrev i stedet et perspektivpapir, der forestiller feltets nuværende status og diskuterer dets fremtid.

"Forskere, herunder i vores egne laboratorier, udforskede en række metamaterialer, men ingen havde givet feltet et navn, " sagde Gabor, der leder Quantum Materials Optolectronics lab ved UCR. "Det var vores hensigt med at skrive perspektivet. Vi er de første til at kodificere den underliggende fysik. På en måde, vi udtrykker det periodiske system for dette nye og spændende felt. Det har været en stor opgave at kodificere alt det arbejde, der er blevet udført indtil nu, og at præsentere et samlende billede. Ideerne og eksperimenterne er modne, og litteraturen viser, at der har været hurtige fremskridt med at skabe kvantematerialer til elektroner. Det var tid til at tøjle det hele under én paraply og tilbyde en køreplan til forskere for at kategorisere fremtidigt arbejde."

I perspektivet, Gabor og Song samler tidlige eksempler på elektronmetamaterialer og destillerer nye designstrategier for elektronisk kontrol fra dem. De skriver, at et af de mest lovende aspekter af det nye felt opstår, når elektroner i subbølgelængdestrukturprøver interagerer for at udvise uventet emergent adfærd.

"Opførselen af ​​superledning i snoet dobbeltlagsgrafen, der dukkede op, var en overraskelse, " sagde Gabor. "Det viser, bemærkelsesværdigt, hvordan elektroninteraktioner og subbølgelængdetræk kunne fås til at arbejde sammen i kvantemetamaterialer for at producere radikalt nye fænomener. Det er eksempler som dette, der tegner en spændende fremtid for elektroniske metamaterialer. Så langt, vi har kun sat scenen for, at der kommer en masse nyt arbejde."