Eksperimenter med snoede 2D-materialer fanger elektroner, der opfører sig kollektivt

Forskere kan have ambitiøse mål:helbredelse af sygdomme, udforske fjerne verdener, ren-energi revolutioner. I fysik og materialeforskning, nogle af disse ambitiøse mål er at lave almindeligt klingende objekter med ekstraordinære egenskaber:Ledninger, der kan transportere strøm uden energitab, eller kvantecomputere, der kan udføre komplekse beregninger, som nutidens computere ikke kan opnå. Og de nye arbejdsborde til de eksperimenter, der gradvist bevæger os mod disse mål, er 2D-materialer - ark af materiale, der er et enkelt lag atomer tykt.

I et papir offentliggjort 14. september i tidsskriftet Naturfysik , et hold ledet af University of Washington rapporterer, at omhyggeligt konstruerede stakke af grafen - en 2-D form for kulstof - kan udvise stærkt korrelerede elektronegenskaber. Holdet fandt også bevis for, at denne type kollektiv adfærd sandsynligvis relaterer sig til fremkomsten af ​​eksotiske magnetiske tilstande.

"Vi har skabt et eksperimentelt setup, der giver os mulighed for at manipulere elektroner i grafenlagene på en række spændende nye måder, " sagde co-senior forfatter Matthew Yankowitz, en UW assisterende professor i fysik og materialevidenskab og teknik, samt fakultetsforsker ved UW's Clean Energy Institute.

Yankowitz ledede holdet med co-senior forfatter Xiaodong Xu, en UW professor i fysik og i materialevidenskab og teknik. Xu er også fakultetsforsker ved UW Molecular Engineering and Sciences Institute, UW Institute for Nano-Engineered Systems og UW Clean Energy Institute.

Da 2D-materialer er et lag atomer tykt, bindinger mellem atomer dannes kun i to dimensioner, og partikler som elektroner kan kun bevæge sig som brikker på et brætspil:side-til-side, front mod bagside eller diagonalt, men ikke op eller ned. Disse begrænsninger kan give 2-D-materialer egenskaber, som deres 3-D-modstykker mangler, og videnskabsmænd har undersøgt 2D-ark af forskellige materialer for at karakterisere og forstå disse potentielt nyttige kvaliteter.

Men i løbet af det sidste årti, videnskabsmænd som Yankowitz er også begyndt at lægge 2D-materialer i lag – som en stak pandekager – og har opdaget, at hvis de stables og roteres i en bestemt konfiguration og udsættes for ekstremt lave temperaturer, disse lag kan udvise eksotiske og uventede egenskaber.

UW-teamet arbejdede med byggeklodser af tolagsgrafen:to ark grafen lagde naturligt sammen. De stablede det ene dobbeltlag oven på det andet - for i alt fire grafenlag - og snoede dem, så layoutet af kulstofatomer mellem de to dobbeltlag var lidt ude af justering. Tidligere forskning har vist, at indførelsen af ​​disse små snoede vinkler mellem enkeltlag eller dobbeltlag af grafen kan have store konsekvenser for deres elektroners opførsel. Med specifikke konfigurationer af det elektriske felt og ladningsfordeling på tværs af de stablede dobbeltlag, elektroner udviser meget korreleret adfærd. Med andre ord, de begynder alle at gøre det samme – eller vise de samme egenskaber – på samme tid.

"I disse tilfælde, det giver ikke længere mening at beskrive, hvad en individuel elektron gør, men hvad alle elektroner gør på én gang, " sagde Yankowitz.

"Det er som at have et rum fyldt med mennesker, hvor en ændring i en persons adfærd vil få alle andre til at reagere på samme måde, " sagde hovedforfatter Minhao He, en UW ph.d.-studerende i fysik og en tidligere Clean Energy Institute-stipendiat.

Kvantemekanikken ligger til grund for disse korrelerede egenskaber, og da de stablede grafen-dobbeltlag har en tæthed på mere end 10^12, eller en billion, elektroner per kvadratcentimeter, en masse elektroner opfører sig kollektivt.

Holdet forsøgte at opklare nogle af mysterierne i de korrelerede tilstande i deres eksperimentelle opsætning. Ved temperaturer på blot et par grader over det absolutte nulpunkt, holdet opdagede, at de kunne "tune" systemet til en type korreleret isolerende tilstand - hvor det ikke ville lede nogen elektrisk ladning. I nærheden af ​​disse isolerende stater, holdet fandt lommer af stærkt ledende tilstande med funktioner, der ligner superledning.

Selvom andre hold for nylig har rapporteret disse tilstande, oprindelsen af ​​disse træk forblev et mysterium. Men UW-teamets arbejde har fundet beviser for en mulig forklaring. De fandt ud af, at disse tilstande så ud til at være drevet af en kvantemekanisk egenskab af elektroner kaldet "spin" - en type vinkelmomentum. I områder nær de korrelerede isolerende tilstande, de fandt bevis for, at alle elektronspin spontant retter sig ind. Dette kan tyde på, at nær de regioner, der viser korrelerede isolerende tilstande, en form for ferromagnetisme dukker op - ikke superledning. Men yderligere eksperimenter ville være nødt til at bekræfte dette.

Disse opdagelser er det seneste eksempel på de mange overraskelser, der er i vente, når man udfører eksperimenter med 2-D materialer.

"Meget af det, vi gør i denne forskningslinje, er at forsøge at skabe, forstå og kontrollere nye elektroniske tilstande, som enten kan være korreleret eller topologisk, eller besidder begge egenskaber, " sagde Xu. "Der kunne være meget, vi kan gøre med disse tilstande hen ad vejen - en form for kvanteberegning, en ny energiopsamlingsanordning, eller nogle nye typer sensorer, for eksempel - og ærligt talt ved vi det ikke, før vi prøver."

I mellemtiden, forventer stakke, dobbeltlag og snoningsvinkler for at blive ved med at lave bølger.