Ny klasse af 2D-materiale viser stabil ladningstæthedsbølge ved stuetemperatur

Kvantematerialer har skabt betydelig interesse for computerapplikationer i de seneste årtier, men ikke-trivielle kvanteegenskaber - såsom superledning eller magnetisk spin - forbliver i skrøbelige tilstande.

"Når man designer kvantematerialer, er spillet altid en kamp mod uorden," siger Robert Hovden, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved University of Michigan.

Varme er den mest almindelige form for lidelse, der forstyrrer kvanteegenskaber. Kvantematerialer udviser ofte kun eksotiske fænomener ved meget lave temperaturer, når atomet næsten holder op med at vibrere, hvilket tillader de omgivende elektroner at interagere med hinanden og omarrangere sig selv på uventede måder. Det er grunden til, at kvantecomputere i øjeblikket udvikles i bade af flydende helium ved -269 °C, eller omkring -450 F. Det er kun et par grader over nul Kelvin (-273,15 °C).

Materialer kan også miste kvanteegenskaber, når de eksfolieres fra 3D ned til et 2D enkelt lag af atomer, tyndhed af særlig interesse for udvikling af enheder i nanoskala.

Nu har et forskerhold ledet af University of Michigan udviklet en ny måde at inducere og stabilisere et eksotisk kvantefænomen kaldet en ladningstæthedsbølge ved stuetemperatur. De har i det væsentlige identificeret en ny klasse af 2D-materialer. Resultaterne er offentliggjort i Nature Communications .

"Dette er den første observation af en ladningstæthedsbølge, der er bestilt og i to dimensioner. Vi var chokerede over, at den ikke kun har en ladningstæthedsbølge i to dimensioner, men ladningstæthedsbølgen er meget forbedret," sagde Hovden.

I stedet for den typiske tilgang med at eksfoliere og skrælle individuelle atomlag af for at lave et 2D-materiale, dyrkede forskerne 2D-materialet inde i en anden matrix. De døbte den nye klasse af materialer "endotaksial" fra de græske rødder "endo", der betyder indeni og "taxier", hvilket betyder på en ordnet måde.

Forskerne arbejdede med en metallisk krystal, tantaldisulfid (TaS2), der ligesom enhver krystal har atomer ordnet i et mønster som pænt arrangerede bordtennisbolde i alle retninger. De observerede, at efterhånden som materialet voksede, klumpede elektronerne i det sandwichede 2D TaS2-krystallag spontant sammen for at danne deres egen krystal, kendt som en ladningskrystal eller en ladningstæthedsbølge - et gentaget mønster i fordelingen af ​​elektroner i et fast materiale.

Når elektronerne klumper sig og krystalliserer, begrænses deres bevægelse, og metallet leder ikke længere elektricitet godt. Uden at ændre materialets kemi har ladningskrystaldannelsen omdannet materialet fra en leder til en isolator. Dette eksotiske kvantefænomen kan vise sig at være nyttigt som en transistor i enten klassisk eller kvanteberegning, der fungerer som en port til at styre spændingsflowet.

"Dette åbner op for ideen om, at endotaksial syntese kunne være en vigtig strategi til at stabilisere skrøbelige kvantetilstande ved normale temperaturområder, som vi eksisterer i," sagde Suk Hyun Sung, førsteforfatter af papiret og en doktorgraduat ved University of Michigan og nuværende postdoc ved Rowland Institute ved Harvard University.

Med en ladningskrystal stabil ved stuetemperatur i hånden besluttede forskerne at varme den op for at observere ændringer.

"Den er bestilt ved uventet høje temperaturer. Ikke kun ved stuetemperatur, men hvis du varmer den op over vandets kogepunkt, har den stadig en ladningstæthedsbølge," sagde Hovden.

Forskerne så til sidst ladningskrystallen smelte væk, mens materialet forblev fast og fjernede kvantetilstanden.

Eksperimenter som dette fremmer vores grundlæggende forståelse af kvantematerialer, hvilket er vigtigt, da forskere arbejder på at udnytte eksotiske kvantefænomener til tekniske løsninger.

"Kvantematerialer kommer til at forstyrre både klassisk og kvanteberegning," sagde Hovden.

Begge marker sidder fast, siger Hovden. Klassisk databehandling har udtømt, hvad silicium kan gøre, og kvantedatabehandling kan i øjeblikket kun fungere ved ekstremt lave temperaturer. De har brug for kvantematerialer for at komme videre.

Indtil videre sætter denne forskning grundlaget for at opdage nye kvantematerialer ved hjælp af endotaksial syntese og giver løfte om stabilisering af kvanteegenskaber ved mere praktiske temperaturer.

Flere oplysninger: Suk Hyun Sung et al., Endotaksial stabilisering af 2D ladningstæthedsbølger med lang rækkefølge, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45711-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Michigan College of Engineering