Forskere skaber atomskala, 2-D elektronisk kagome gitter

Forskere fra University of Wollongong (UOW), arbejder med kolleger på Kinas Beihang Universitet, Nankai Universitet, og Institut for Fysik ved Chinese Academy of Sciences, har med succes skabt en atomskala, todimensionelt elektronisk kagomegitter med potentielle anvendelser inden for elektronik og kvanteberegning.

Forskningspapiret er offentliggjort i novemberudgaven af Videnskabens fremskridt .

Et kagome-gitter er opkaldt efter et traditionelt japansk vævet bambusmønster, der består af flettede trekanter og sekskanter.

Forskerholdet skabte kagome-gitteret ved at lægge og vride to nanoplader af silicen. Silicen er en siliciumbaseret, et atom tykt, Dirac fermion materiale med en sekskantet bikagestruktur, hvilke elektroner kan hastighede over tæt på lysets hastighed.

Når silicen er snoet ind i et kagome gitter, imidlertid, elektroner bliver "fanget", cirkler rundt i gitterets sekskanter.

Dr. Yi Du, som leder Scanning Tunneling Microscopy (STM)-gruppen ved UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) og Beihang-UOW Joint Research Centre, er avisens tilsvarende forfatter.

Han sagde, at videnskabsmænd længe har været interesseret i at lave et 2-D kagome-gitter på grund af de nyttige teoretiske elektroniske egenskaber, som en sådan struktur ville have.

"Teoretikere forudsagde for lang tid siden, at hvis man putter elektroner ind i et elektronisk kagome-gitter, destruktive interferenser ville betyde elektronerne, i stedet for at flyde igennem ville i stedet dreje rundt i en hvirvel og ville blive låst i gitteret. Det svarer til, at nogen går vild i en labyrint og aldrig kommer ud, " sagde Dr. Du.

"Det interessante er, at elektronerne kun vil være frie, når gitteret er brudt, når du skaber en kant. Når en kant dannes, elektroner vil bevæge sig sammen med det uden nogen elektrisk modstand - det har meget lav modstand, så meget lav energi og elektroner kan bevæge sig meget hurtigt, med lysets hastighed. Dette er af stor betydning for design og udvikling af lavenergi-omkostninger enheder.

"I mellemtiden med en stærk såkaldt spin-orbital koblingseffekt, nye kvantefænomener, såsom friktionskvante Hall-effekt, forventes at ske ved stuetemperatur. Dette vil bane vejen for kvanteenheder i fremtiden."

Mens de teoretiske egenskaber ved et elektronisk kagome-gitter gjorde det af stor interesse for videnskabsmænd, at skabe et sådant materiale har vist sig ekstremt udfordrende.

"For at det skal fungere som forudsagt, du skal sørge for, at gitteret er konstant, og at længderne af gitteret er sammenlignelige med elektronens bølgelængder, som udelukker en masse materialer, " sagde Dr. Du.

"Det skal være en type materiale, hvorpå elektronen kun kan bevæge sig på overfladen. Og man skal finde noget, der er ledende, og har også en meget stærk spin-orbital koblingseffekt.

"Der er ikke mange grundstoffer i verden, der har disse egenskaber."

Et element, der gør, er silicen. Dr. Du og hans kolleger skabte deres 2-D elektroniske kagome gitter ved at sno sammen to lag silicen. Ved en rotationsvinkel på 21,8 grader dannede de et kagomegitter.

Og da forskerne puttede elektroner i det, den opførte sig som forudsagt.

"Vi observerede alle kvantefænomener forudsagt teoretisk i vores kunstige kagome gitter i silicen, " sagde Dr. Du.

De forventede fordele ved dette gennembrud vil være meget mere energieffektive elektroniske enheder og hurtigere, mere kraftfulde computere.