Moiré-effekt:Sådan vrider du materialeegenskaber

2D-materialer har udløst et boom i materialeforskning. Nu viser det sig, at der opstår spændende effekter, når to sådanne lagdelte materialer er stablet og let snoet.

Opdagelsen af ​​materialet grafen, som kun består af et lag af kulstofatomer, var startsignalet til et globalt løb:I dag, der produceres såkaldte 2D-materialer, lavet af forskellige typer atomer. Atomisk tynde lag, der ofte har helt specielle materialeegenskaber, der ikke findes i konventionelle, tykkere materialer.

Nu tilføjes endnu et kapitel til dette forskningsfelt:Hvis to sådanne 2D-lag stables i den rigtige vinkel, endnu flere nye muligheder opstår. Den måde, hvorpå atomerne i de to lag interagerer, skaber indviklede geometriske mønstre, og disse mønstre har en afgørende indflydelse på materialets egenskaber, som et forskerhold fra TU Wien og University of Texas (Austin) nu har kunnet vise. Fononer - atomernes gittervibrationer - er væsentligt påvirket af den vinkel, hvorved de to materialelag er placeret oven på hinanden. Dermed, med små rotationer af et sådant lag, man kan ændre materialets egenskaber væsentligt.

Moiré-effekten

Grundideen kan afprøves derhjemme med to fluenetark – eller med andre almindelige masker, der kan placeres oven på hinanden:Hvis begge gitre er perfekt kongruente oven på hinanden, man kan næsten ikke se ovenfra, om det er et eller to gitter. Strukturens regelmæssighed har ikke ændret sig.

Men hvis du nu drejer et af gitrene en lille vinkel, der er steder, hvor gitterpunkterne på maskerne nogenlunde matcher, og andre steder, hvor de ikke gør det. Denne måde, interessante mønstre dukker op - det er den velkendte moiré-effekt.

"Du kan gøre nøjagtig det samme med atomgitre af to materialelag, " siger Dr. Lukas Linhart fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. Det bemærkelsesværdige er, at dette dramatisk kan ændre visse materialeegenskaber - f.eks. grafen bliver en superleder, hvis to lag af dette materiale kombineres på den rigtige måde.

"Vi studerede lag af molybdændisulfid, hvilken, sammen med grafen, er nok et af de vigtigste 2D-materialer, " siger prof Florian Libisch, der ledede projektet på TU Wien. "Hvis du lægger to lag af dette materiale oven på hinanden, såkaldte Van der Waals-kræfter opstår mellem atomerne i disse to lag. Det er relativt svage kræfter, men de er stærke nok til fuldstændig at ændre hele systemets adfærd."

I udførlige computersimuleringer, forskerholdet analyserede den kvantemekaniske tilstand af den nye dobbeltlagsstruktur forårsaget af disse svage yderligere kræfter, og hvordan dette påvirker vibrationerne af atomerne i de to lag.

Rotationsvinklen har betydning

"Hvis du vrider de to lag en lille smule mod hinanden, Van der Waals-kræfterne får atomerne i begge lag til at ændre deres position en lille smule, " siger Dr. Jiamin Quan, fra UT Texas i Austin. Han ledede eksperimenterne i Texas, hvilket bekræftede resultaterne af beregningerne:Rotationsvinklen kan bruges til at justere, hvilke atomare vibrationer der er fysisk mulige i materialet.

"Med hensyn til materialevidenskab, det er en vigtig ting at have kontrol over fonon vibrationer på denne måde, " siger Lukas Linhart "Det faktum, at elektroniske egenskaber af et 2D-materiale kan ændres ved at forbinde to lag sammen, var allerede kendt før. Men at de mekaniske svingninger i materialet også kan styres af dette, åbner nu nye muligheder for os. Fononer og elektromagnetiske egenskaber er tæt beslægtede. Via vibrationerne i materialet, man kan derfor gribe ind i vigtige mange-kropseffekter på en kontrollerende måde." Efter denne første beskrivelse af effekten for fononer, forskerne forsøger nu at beskrive fononer og elektroner kombineret, i håb om at lære mere om vigtige fænomener som superledning.

Den materialefysiske Moiré-effekt gør således det allerede rige forskningsfelt af 2D-materialer endnu rigere – og øger chancerne for fortsat at finde nye lagdelte materialer med hidtil uopnåelige egenskaber og muliggør brugen af ​​2D-materialer som en eksperimentel platform for helt fundamentale egenskaber vedr. faste stoffer.