Hvordan bump i 2D-materialer kunne udjævne kvanteundersøgelser

Atomer gør mærkelige ting, når de tvinges ud af deres komfortzoner. Rice Universitys ingeniører har udtænkt en ny måde at give dem et skub på.

Materialeteoretikeren Boris Yakobson og hans team på Rice's George R. Brown School of Engineering har en teori om, at det kan være nemmere at ændre konturen af ​​et lag af 2D-materiale og dermed ændre forholdet mellem dets atomer, end tidligere antaget.

Mens andre vrider 2D-dobbeltlag - to lag stablet sammen - af grafen og lignende for at ændre deres topologi, foreslår Rice-forskerne gennem beregningsmodeller, at dyrkning eller stempling af enkeltlags 2D-materialer på en omhyggeligt designet bølgende overflade ville opnå "et hidtil uset niveau af kontrol" over deres magnetiske og elektroniske egenskaber.

De siger, at opdagelsen åbner en vej til at udforske mange-kropseffekter, samspillet mellem flere mikroskopiske partikler, inklusive kvantesystemer.

Papiret af Yakobson og to alumner, co-lead forfatter Sunny Gupta og Henry Yu, fra hans laboratorium vises i Nature Communications .

Forskerne blev inspireret af nylige opdagelser om, at vridning eller på anden måde deformering af 2D-materialer af dobbeltlag som tolagsgrafen til "magiske vinkler" inducerede interessante elektroniske og magnetiske fænomener, herunder superledning.

Deres modeller viser, at snarere end at vride, blot at stemple eller dyrke et 2D-materiale som hexagonal bornitrid (hBN) på en ujævn overflade naturligt belaster materialets gitter, hvilket tillader det at danne pseudo-elektriske og pseudo-magnetiske felter og muligvis udvise rige fysiske effekter svarende til dem, der findes i snoede materialer.

Flad hBN er en isolator, men forskerne fandt ud af, at belastning af atomerne i deres model skabte båndstrukturer, hvilket effektivt gjorde det til en halvleder.

Fordelen ved deres strategi, sagde Gupta, er, at deformationen ville være meget kontrollerbar gennem overfladebumpene, da substrater kunne mønstres nøjagtigt ved hjælp af elektronstrålelitografi. "Dette vil også give en mulighed for kontrollerbart at ændre de elektroniske tilstande og kvanteeffekter ved at designe substrater med forskellig topografi," sagde han.

Fordi ladningen kan manipuleres til at flyde i én retning, er den vej, den følger, en model for 1D-systemer. Yakobson sagde, at det kan bruges til at udforske egenskaber ved 1D kvantesystemer, som ikke kan tilgås gennem snoet grafen.

"Forestil dig en vej med en enkelt vognbane, sådan at bilerne kun må bevæge sig i én retning," sagde Gupta. "En bil kan ikke overhale den forankørende, så trafikken vil kun bevæge sig, når alle biler bevæger sig samlet.

"Dette er ikke tilfældet i 2D, eller når du har flere baner, hvor bilerne - eller elektronerne - kan passere," sagde han. "Ligesom biler vil elektroner i et 1D-system flyde kollektivt og ikke individuelt. Dette gør 1D-systemer specielle med rig, uudforsket fysik."

Gupta sagde, at det ville være meget lettere at danne et ujævnt substrat med en elektronstråle, end det er i øjeblikket at vride 2D-dobbeltlag af grafen eller andre heterostrukturer som hBN til mindre end en enkelt grad af nøjagtighed.

"Desuden kan man realisere 1D-kvantetilstande, som ikke typisk er tilgængelige ved at vride 2D-dobbeltlag," sagde han. "Dette vil give mulighed for at udforske fysiske effekter i 1D, der har været stort set uhåndgribelige indtil nu." + Udforsk yderligere

En enklere tilgang til at skabe kvantematerialer