Fysikere kan ved et uheld have opdaget en ny tilstand af stof

Mennesker har studeret elektrisk ladning i tusinder af år, og resultaterne har formet den moderne civilisation. Vores hverdag afhænger af elektrisk belysning, smartphones, biler, og computere, på måder, som de første personer, der noterede sig et statisk stød eller et lyn, aldrig kunne have forestillet sig.

Nu, fysikere ved Northeastern har opdaget en ny måde at manipulere elektrisk ladning på. Og ændringerne i fremtiden for vores teknologi kan blive monumentale.

"Når sådanne fænomener opdages, fantasien sætter grænser, " siger Swastik Kar, en lektor i fysik. "Det kan ændre den måde, vi kan detektere og kommunikere signaler på. Det kan ændre den måde, vi kan fornemme ting og lagringen af ​​information, og muligheder, som vi måske ikke engang har tænkt på endnu."

Evnen til at bevæge sig, manipulere, og butikselektroner er nøglen til langt størstedelen af ​​moderne teknologi, uanset om vi forsøger at høste energi fra solen eller spille Plants vs. Zombies på vores telefon. I et blad udgivet i Nanoskala , forskerne beskrev en måde at få elektroner til at gøre noget helt nyt:fordele sig jævnt i en stationær, krystallinsk mønster.

"Jeg er fristet til at sige, at det næsten er som en ny fase af materien, " siger Kar. "Fordi det bare er rent elektronisk."

Fænomenet dukkede op, mens forskerne kørte eksperimenter med krystallinske materialer, der kun er nogle få atomer tykke, kendt som 2-D materialer. Disse materialer er opbygget af et gentaget mønster af atomer, som et endeløst skakbræt, og er så tynde, at elektronerne i dem kun kan bevæge sig i to dimensioner.

At stable disse ultratynde materialer kan skabe usædvanlige effekter, da lagene interagerer på et kvanteniveau.

Kar og hans kolleger undersøgte to sådanne 2-D materialer, vismutselenid og et overgangsmetal dichalcogenid, lagt oven på hinanden som ark papir. Det var da, tingene begyndte at blive mærkelige.

Elektroner bør frastøde hinanden - de er negativt ladede, og bevæge sig væk fra andre negativt ladede ting. Men det var ikke, hvad elektronerne i disse lag gjorde. De dannede et stationært mønster.

"I visse vinkler, disse materialer ser ud til at danne en måde at dele deres elektroner på, som ender med at danne dette geometrisk periodiske tredje gitter, " siger Kar. "En perfekt gentagelig række af rene elektroniske vandpytter, der ligger mellem de to lag."

I første omgang, Kar antog, at resultatet var en fejl. De krystallinske strukturer af 2-D materialer er for små til at observere direkte, så fysikere bruger specielle mikroskoper, der affyrer stråler af elektroner i stedet for lys. Når elektronerne passerer gennem materialet, de griber ind i hinanden og skaber et mønster. Det specifikke mønster (og en masse matematik) kan bruges til at genskabe formen af ​​2-D-materialet.

Da det resulterende mønster afslørede et tredje lag, der ikke kunne komme fra nogen af ​​de to andre, Kar troede, at noget var gået galt i skabelsen af ​​materialet eller i måleprocessen. Lignende fænomener er blevet observeret før, men kun ved ekstremt lave temperaturer. Kars observationer var ved stuetemperatur.

"Har du nogensinde gået ind på en eng og set et æbletræ med mango hængende fra det?" spørger Kar. "Selvfølgelig troede vi, at der var noget galt. Det her kunne ikke ske."

Men efter gentagne tests og eksperimenter ledet af ph.d.-studerende Zachariah Hennighausen, deres resultater forblev de samme. Der var et nyt gittermønster af ladede pletter, der dukkede op mellem 2-D materialerne. Og det mønster ændrede sig med orienteringen af ​​de to sandwichlag.

Da Kar og hans team havde arbejdet på den eksperimentelle undersøgelse, Arun Bansil, en anerkendt universitetsprofessor i fysik ved Northeastern, og doktorand Chistopher Lane undersøgte de teoretiske muligheder, at forstå, hvordan dette kunne ske.

Elektroner i et materiale hopper altid rundt, Bansil forklarer, da de trækkes videre af de positivt ladede kerner af atomer og frastødes af andre negativt ladede elektroner. Men i dette tilfælde, noget ved den måde, disse ladninger er lagt ud på, er at samle elektroner i et bestemt mønster.

"De producerer disse regioner, hvor der er, hvis du kan lide, grøfter af en art i det potentielle landskab, som er nok til at tvinge disse elektroner til at skabe disse ladningspytter, " siger Bansil. "Den eneste grund til, at elektroner bliver til vandpytter er, at der er et potentielt hul der."

Disse grøfter, så at sige, er skabt af en kombination af kvantemekaniske og fysiske faktorer, siger Bansil.

Når to gentagne mønstre eller gitter er forskudt, de kombineres for at skabe et nyt mønster (du kan kopiere dette derhjemme ved at overlappe tænderne på to flade kamme). Hvert 2-D materiale har en gentagende struktur, og forskerne viste, at det mønster, der skabes, når disse materialer stables, bestemmer, hvor elektroner vil ende.

"Det er her, det bliver kvantemekanisk gunstigt for vandpytterne at opholde sig, " siger Kar. "Det vejleder næsten de elektronpytter til at blive der og ingen andre steder. Det er fascinerende."

Mens forståelsen af ​​dette fænomen stadig er i sin vorden, det har potentiale til at påvirke fremtiden for elektronik, sensor- og detektionssystemer, og informationsbehandling.

"Spændingen på dette tidspunkt er at være i stand til potentielt at demonstrere noget, som folk aldrig har troet kunne eksistere ved stuetemperatur før, " siger Kar. "Og nu, himlen er grænsen i forhold til, hvordan vi kan udnytte det."