Opbygning af en trykpresse til nye kvantematerialer

At tjekke en stak bøger fra biblioteket er lige så simpelt som at søge i bibliotekets katalog og bruge unikke opkaldsnumre til at trække hver bog fra deres hyldeplaceringer. Ved at bruge et lignende princip, forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) – et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory – går sammen med Harvard University og Massachusetts Institute of Technology (MIT) for at skabe en første af- dens slags automatiseret system til at katalogisere atomisk tynde todimensionelle (2-D) materialer og stable dem i lagdelte strukturer. Kaldet Quantum Material Press, eller QPress, dette system vil fremskynde opdagelsen af ​​næste generations materialer til det nye felt af kvanteinformationsvidenskab (QIS).

Strukturer opnået ved at stable enkelte atomlag ("flager") afskrællet fra forskellige forældremassekrystaller er af interesse på grund af den eksotiske elektroniske, magnetiske, og optiske egenskaber, der fremkommer ved så små (kvante) størrelsesskalaer. Imidlertid, flageeksfoliering er i øjeblikket en manuel proces, der giver en række forskellige flagestørrelser, former, orienteringer, og antal lag. Forskere bruger optiske mikroskoper ved høj forstørrelse til manuelt at jage gennem tusindvis af flager for at finde de ønskede, og denne søgning kan nogle gange tage dage eller endda en uge, og er tilbøjelig til menneskelige fejl.

Når højkvalitets 2-D flager fra forskellige krystaller er blevet lokaliseret og deres egenskaber karakteriseret, de kan samles i den ønskede rækkefølge for at skabe de lagdelte strukturer. Stabling er meget tidskrævende, det tager ofte længere tid end en måned at samle en enkeltlagsstruktur. For at afgøre, om de genererede strukturer er optimale til QIS-applikationer – lige fra databehandling og kryptering til sansning og kommunikation – skal forskere derefter karakterisere strukturernes egenskaber.

"Ved at tale med vores universitetssamarbejdspartnere på Harvard og MIT, som syntetiserer og studerer disse lagdelte heterostrukturer, vi lærte, at selv om der findes stykker af automatisering – såsom software til at lokalisere flagerne og joysticks til at manipulere flagerne – er der ingen fuldautomatisk løsning, " sagde CFN-direktør Charles Black, den administrative leder på QPress-projektet.

Idéen til QPress blev udtænkt i begyndelsen af ​​2018 af professor Amir Yacoby fra Institut for Fysik på Harvard. Konceptet blev derefter forfinet gennem et samarbejde mellem Yacoby; Black og Kevin Yager, leder af CFN Electronic Nanomaterials Group; Philip Kim, også fra Harvards Institut for Fysik; og Pablo Jarillo-Herrero og Joseph Checkelsky, begge fra Institut for Fysik ved MIT.

Ifølge Black, den unikke CFN-rolle var klar:"Vi indså, at det at bygge en robot, der kan muliggøre designet, syntese, og afprøvning af kvantematerialer er yderst velafstemt med de færdigheder og ekspertise, som videnskabsmænd på CFN har. Som en brugerfacilitet, CFN er beregnet til at være en ressource for det videnskabelige samfund, og QIS er et af vores vækstområder, som vi udvider vores muligheder for, videnskabelige programmer, og personale."

Grafen sætter gang i 2D-materialeforskning

Interessen for 2-D materialer går tilbage til 2004, da videnskabsmænd ved University of Manchester isolerede verdens første 2D-materiale, grafen - et enkelt lag af kulstofatomer. De brugte en overraskende grundlæggende teknik, hvor de placerede et stykke grafit (kernematerialet i blyanter) på scotch tape, fold båndet gentagne gange på midten og pil det fra hinanden for at udtrække stadigt tyndere flager. Derefter, de gned tapen på en flad overflade for at overføre flagerne. Under et optisk mikroskop, de et-atom-tykke flager kan lokaliseres ved deres reflektionsevne, fremstår som meget svage pletter. Anerkendt med en Nobelpris i 2010, opdagelsen af ​​grafen og dets usædvanlige egenskaber - inklusive dets bemærkelsesværdige mekaniske styrke og elektriske og termiske ledningsevne - har fået forskere til at udforske andre 2-D materialer.

Mange laboratorier fortsætter med at bruge denne besværlige tilgang til at fremstille og finde 2-D flager. Mens tilgangen har gjort det muligt for forskere at udføre forskellige målinger på grafen, hundredvis af andre krystaller – inklusive magneter, superledere, og halvledere - kan eksfolieres på samme måde som grafit. I øvrigt, forskellige 2-D flager kan stables for at bygge materialer, der aldrig har eksisteret før. Forskere har for ganske nylig opdaget, at egenskaberne af disse stablede strukturer ikke kun afhænger af lagenes rækkefølge, men også af den relative vinkel mellem atomerne i lagene. For eksempel, et materiale kan tunes fra en metallisk til en isolerende tilstand blot ved at kontrollere denne vinkel. I betragtning af det store udvalg af prøver, som videnskabsmænd gerne vil udforske, og den fejltilbøjelige og tidskrævende karakter af manuelle syntesemetoder, automatiserede tilgange er stærkt nødvendige.

"Ultimativt, vi vil gerne udvikle en robot, der leverer en stablet struktur baseret på de 2-D flagesekvenser og krystalorienteringer, som videnskabsmænd vælger gennem en webgrænseflade til maskinen, " sagde Black. "Hvis det lykkes, QPress ville gøre det muligt for forskere at bruge deres tid og energi på at studere materialer, i stedet for at lave dem."

En modulær tilgang

I september 2018, yderligere udvikling af QPress blev tildelt finansiering af DOE, med en todelt tilgang. En pris var for QPress hardwareudvikling i Brookhaven, ledet af Black; Yager; CFN videnskabsmænd Gregory Doerk, Aaron Stein, og Jerzy Sadowski; og CFN videnskabelig associeret Young Jae Shin. Den anden pris var til et koordineret forskningsprojekt ledet af Yacoby, Kim, Jarillo-Herrero, og Checkelsky. Harvard- og MIT-fysikere vil bruge QPress til at studere eksotiske former for superledning - visse materialers evne til at lede elektricitet uden energitab ved meget lave temperaturer - der eksisterer i grænsefladen mellem en superleder og magnet. Nogle videnskabsmænd mener, at sådanne eksotiske tilstande af stof er nøglen til at fremme kvanteberegning, som forventes at overgå mulighederne i selv nutidens mest kraftfulde supercomputing.

En fuldt integreret automatiseret maskine bestående af en peeling, en katalogfører, et bibliotek, en stabler, og en karakterisator forventes om tre år. Imidlertid, disse moduler kommer online i etaper for at muliggøre brugen af ​​QPress tidligt.

Holdet har allerede gjort nogle fremskridt. De byggede en prototype exfoliator, der efterligner handlingen af ​​et menneske, der skræller flager fra en grafitkrystal. Exfoliatoren presser et polymerstempel ind i en bulk moderkrystal og overfører de eksfolierede flager ved at presse dem på et substrat. I deres første sæt eksperimenter, holdet undersøgte, hvordan man ændrede forskellige parametre - stemplingstryk, pressetid, antal gentagne tryk, pressevinkel, og lateral kraft påført under overførsel - påvirker processen.

"En af fordelene ved at bruge en robot er, at i modsætning til et menneske, den gengiver de samme bevægelser hver gang, og vi kan optimere disse bevægelser til at generere masser af meget tynde store flager, " forklarede Yager. "Således, exfoliatoren vil forbedre både kvaliteten og kvantiteten af ​​2-D flager skrællet fra forældrekrystaller ved at forfine hastigheden, præcision, og gentagelighed af processen."

I samarbejde med Stony Brook University adjunkt Minh Hoai Nguyen fra Institut for Datalogi og Ph.D. studerende Boyu Wang fra Computer Vision Lab, forskerne er også ved at bygge en flagekataloger. Gennem billedanalysesoftware, katalogisereren scanner et substrat og registrerer placeringen af ​​eksfolierede flager og deres egenskaber.

"De flager, som forskerne er interesserede i, er tynde og derfor svage, så manuel visuel inspektion er en besværlig og fejltilbøjelig proces, " sagde Nguyen. "Vi bruger state-of-the-art computer vision og deep learning teknikker til at udvikle software, der kan automatisere denne proces med højere nøjagtighed."

"Vores samarbejdspartnere har sagt, at et system, der er i stand til at kortlægge deres prøve af flager og vise dem, hvor de "gode" flager er placeret - som bestemt af parametre, de definerer - ville være enormt nyttigt for dem, " sagde Yager. "Vi har nu denne mulighed og vil gerne tage den i brug."

Til sidst, holdet planlægger at opbevare et stort sæt forskellige katalogiserede flager på hylder, ligner bøger på et bibliotek. Forskere kunne derefter få adgang til dette materialebibliotek for at vælge de flager, de vil bruge, og QPress ville hente dem.

Ifølge Black, den største udfordring bliver konstruktionen af ​​stableren – modulet, der henter prøver fra biblioteket, "kører" til de steder, hvor de valgte flager befinder sig, og samler flagerne op og placerer dem i en gentagen proces for at bygge stakke i henhold til de monteringsanvisninger, som forskerne programmerer ind i maskinen. Ultimativt, forskerne vil gerne have, at stableren samler de lagdelte strukturer ikke kun hurtigere, men også mere præcist end manuelle metoder.

Robottens sidste modul vil være en materialekarakterisering, som vil give feedback i realtid gennem hele synteseprocessen. For eksempel, karakterisatoren vil identificere krystalstrukturen og orienteringen af ​​eksfolierede flager og lagdelte strukturer gennem lavenergi elektrondiffraktion (LEED) - en teknik, hvor en stråle af lavenergielektroner rettes mod overfladen af ​​en prøve for at frembringe et karakteristisk diffraktionsmønster af overfladegeometrien.

"Der er mange trin til at levere en fuldautomatisk løsning, " sagde Black. "Vi har til hensigt at implementere QPress-funktioner, efterhånden som de bliver tilgængelige for at maksimere fordelene for QIS-fællesskabet."