Lagdelt grafen med et twist viser unik kvanteindeslutning i 2D

Forskere studerer to forskellige konfigurationer af tolagsgrafen - den todimensionelle (2D), atomtynd form for kulstof - har detekteret elektroniske og optiske mellemlagsresonanser. I disse resonanstilstande, elektroner hopper frem og tilbage mellem de to atomplaner i 2D-grænsefladen med samme frekvens. Ved at karakterisere disse tilstande, de fandt ud af, at vride et af grafenlagene 30 grader i forhold til det andet, i stedet for at stable lagene direkte oven på hinanden, flytter resonansen til en lavere energi. Ud fra dette resultat, netop offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , de udledte, at afstanden mellem de to lag steg betydeligt i den snoede konfiguration, sammenlignet med den stablede. Når denne afstand ændres, det samme gør interlayer interaktioner, påvirke hvordan elektroner bevæger sig i dobbeltlagssystemet. En forståelse af denne elektronbevægelse kunne danne grundlag for udformningen af ​​fremtidige kvanteteknologier til mere kraftfuld databehandling og mere sikker kommunikation.

"Dagens computerchips er baseret på vores viden om, hvordan elektroner bevæger sig i halvledere, specifikt silicium, " sagde den første og medkorresponderende forfatter Zhongwei Dai, en postdoc i Interface Science and Catalysis Group ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) ved US Department of Energy (DOE)'s Brookhaven National Laboratory. "Men siliciums fysiske egenskaber er ved at nå en fysisk grænse i forhold til, hvor små transistorer der kan laves, og hvor mange der kan passe på en chip. Hvis vi kan forstå, hvordan elektroner bevæger sig i den lille skala af nogle få nanometer i de reducerede dimensioner af silicium. 2D materialer, vi kan muligvis låse op på en anden måde at bruge elektroner til kvanteinformationsvidenskab."

På få nanometer, eller milliardtedele af en meter, størrelsen af ​​et materialesystem er sammenlignelig med elektronernes bølgelængde. Når elektroner er indespærret i et rum med dimensioner af deres bølgelængde, materialets elektroniske og optiske egenskaber ændres. Disse kvanteindeslutningseffekter er resultatet af kvantemekanisk bølgelignende bevægelse snarere end klassisk mekanisk bevægelse, hvor elektroner bevæger sig gennem et materiale og bliver spredt af tilfældige defekter.

Til denne forskning, holdet valgte en simpel materialemodel - grafen - for at undersøge kvanteindeslutningseffekter, at anvende to forskellige sonder:elektroner og fotoner (lyspartikler). For at sondere både elektroniske og optiske resonanser, de brugte et specielt substrat, som grafenet kunne overføres til. Co-korresponderende forfatter og CFN Interface Science and Catalysis Group videnskabsmand Jurek Sadowski havde tidligere designet dette substrat til Quantum Material Press (QPress). QPress er et automatiseret værktøj under udvikling i CFN Materials Synthesis and Characterization Facility for syntesen, forarbejdning, og karakterisering af lagdelte 2D-materialer. Konventionelt, videnskabsmænd eksfolierer 2D-materiale "flager" fra 3D-moderkrystaller (f.eks. grafen fra grafit) på et siliciumdioxidsubstrat flere hundrede nanometer tykt. Imidlertid, dette underlag er isolerende, og dermed virker elektronbaserede forespørgselsteknikker ikke. Så, Sadowski og CFN videnskabsmand Chang-Yong Nam og Stony Brook University kandidatstuderende Ashwanth Subramanian afsatte et ledende lag af titaniumoxid kun tre nanometer tykt på siliciumdioxidsubstratet.

"Dette lag er gennemsigtigt nok til optisk karakterisering og bestemmelse af tykkelsen af ​​eksfolierede flager og stablede monolag, mens det er ledende nok til elektronmikroskopi eller synkrotronbaserede spektroskopiteknikker, " forklarede Sadowski.

I Charlie Johnson Group ved University of Pennsylvania—Rebecca W. Bushnell professor i fysik og astronomi Charlie Johnson, postdoc Qicheng Zhang, og tidligere postdoc Zhaoli Gao (nu assisterende professor ved det kinesiske universitet i Hong Kong) - dyrkede grafen på metalfolier og overførte det til titaniumoxid/siliciumdioxid-substratet. Når grafen dyrkes på denne måde, alle tre domæner (enkelt lag, stablet, og snoede) er til stede.

Derefter, Dai og Sadowski designede og udførte eksperimenter, hvor de skød elektroner ind i materialet med et lavenergi-elektronmikroskop (LEEM) og detekterede de reflekterede elektroner. De affyrede også fotoner fra et laserbaseret optisk mikroskop med et spektrometer ind i materialet og analyserede spektret af lys spredt tilbage. Dette konfokale Raman-mikroskop er en del af QPress-kataloget, som sammen med billedanalysesoftware, kan lokalisere placeringen af ​​prøveområder af interesse.

"QPress Raman-mikroskopet gjorde det muligt for os hurtigt at identificere målprøveområdet, fremskynde vores forskning, " sagde Dai.

Deres resultater antydede, at afstanden mellem lagene i den snoede grafen-konfiguration steg med omkring seks procent i forhold til den ikke-snoede konfiguration. Beregninger fra teoretikere ved University of New Hampshire bekræftede den unikke resonans elektroniske adfærd i den snoede konfiguration.

"Enheder lavet af roteret grafen kan have meget interessante og uventede egenskaber på grund af den øgede mellemlagsafstand, hvori elektroner kan bevæge sig, " sagde Sadowski.

Næste, holdet vil fremstille enheder med den snoede grafen. Holdet vil også bygge på indledende eksperimenter udført af CFN-personalets videnskabsmand Samuel Tenney og CFN postdocs Calley Eads og Nikhil Tiwale for at undersøge, hvordan tilføjelse af forskellige materialer til den lagdelte struktur påvirker dens elektroniske og optiske egenskaber.

"I denne indledende undersøgelse, vi valgte det enkleste 2D-materialesystem, vi kan syntetisere og kontrollere for at forstå, hvordan elektroner opfører sig, " sagde Dai. "Vi planlægger at fortsætte disse typer grundlæggende undersøgelser, forhåbentlig kaste lys over, hvordan man manipulerer materialer til kvanteberegning og kommunikation."