Hvad sagde elektronen til fononen i grafensandwichen?

Et TU/e ​​og det catalanske institut for nanovidenskab og nanoteknologi ledet samarbejde, der involverer forskere fra hele verden, har svaret og hvorfor, og resultaterne er blevet publiceret i tidsskriftet Science Advances .

Elektroner bærer elektrisk energi, mens vibrationsenergi bæres af fononer. At forstå, hvordan de interagerer med hinanden i visse materialer, som i en sandwich af to grafenlag, vil have konsekvenser for fremtidige optoelektroniske enheder.

Nyligt arbejde har afsløret, at grafenlag, der er snoet i forhold til hinanden af ​​en lille "magisk vinkel", kan fungere som perfekt isolator eller superleder. Men fysikken i elektron-fonon-interaktionerne er et mysterium. Som en del af et verdensomspændende internationalt samarbejde har TU/e-forsker Klaas-Jan Tielrooij ledet en undersøgelse af elektron-fonon-interaktioner i grafenlag. Og de har gjort en overraskende opdagelse.

Hvad sagde elektronen til fononen mellem to lag af grafen? Dette lyder måske som starten på et fysikmeme med en sjov punchline at følge. Men det er ikke tilfældet ifølge Klaas-Jan Tielrooij. Han er lektor ved Institut for Anvendt Fysik og Naturvidenskabelige Uddannelser på TU/e ​​og forskningsleder i det nye arbejde udgivet i Science Advances .

"Vi søgte at forstå, hvordan elektroner og fononer 'taler' med hinanden inden for to snoede grafenlag," siger Tielrooij.

Elektroner er de velkendte ladnings- og energibærere forbundet med elektricitet, mens en fonon er forbundet med fremkomsten af ​​vibrationer mellem atomer i en atomisk krystal.

"Fononer er dog ikke partikler som elektroner, de er en kvasipartikel. Alligevel har deres interaktion med elektroner i visse materialer, og hvordan de påvirker energitab i elektroner, været et mysterium i nogen tid," bemærker Tielrooij.

Men hvorfor ville det være interessant at lære mere om elektron-fonon-interaktioner? "Disse interaktioner kan have en stor effekt på de elektroniske og optoelektroniske egenskaber af enheder, lavet af materialer som grafen, som vi kommer til at se mere af i fremtiden."

Tielrooij og hans samarbejdspartnere, som er baseret rundt om i verden i Spanien, Tyskland, Japan og USA, besluttede at studere elektron-fonon-interaktioner i et meget bestemt tilfælde - inden for to lag af grafen, hvor lagene er altid en smule forkert justeret .

Grafen er et todimensionelt lag af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter, der har flere imponerende egenskaber såsom høj elektrisk ledningsevne, høj fleksibilitet og høj varmeledningsevne, og det er også næsten gennemsigtigt.

Tilbage i 2018 gik prisen for Physics World Breakthrough of the Year til Pablo Jarillo-Herrero og kolleger ved MIT for deres banebrydende arbejde med twistronics, hvor tilstødende lag af grafen roteres meget lidt i forhold til hinanden for at ændre grafenens elektroniske egenskaber. .

"Afhængigt af, hvordan lagene af grafen roteres og dopes med elektroner, er kontrasterende udfald mulige. For visse dopinger fungerer lagene som en isolator, som forhindrer elektronernes bevægelse. Ved anden doping opfører materialet sig som en superleder - en materiale med nul modstand, der tillader spredningsfri bevægelse af elektroner," siger Tielrooij.

Bedre kendt som snoet dobbeltlagsgrafen, forekommer disse resultater ved den såkaldte magiske vinkel for fejljustering, som er lidt over en rotationsgrad. "Forskydningen mellem lagene er lille, men muligheden for en superleder eller en isolator er et forbløffende resultat."

Hvordan elektroner mister energi

Til deres undersøgelse ønskede Tielrooij og teamet at lære mere om, hvordan elektroner taber energi i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen, eller MATBG for kort.

For at opnå dette brugte de et materiale bestående af to ark monolagsgrafen (hver 0,3 nanometer tyk), placeret oven på hinanden og forkert justeret i forhold til hinanden med omkring en grad.

Ved hjælp af to optoelektroniske måleteknikker var forskerne i stand til at sondere elektron-fonon-interaktionerne i detaljer, og de gjorde nogle svimlende opdagelser.

"Vi observerede, at energien forsvinder meget hurtigt i MATBG'en - den forekommer på picosecond-tidsskalaen, hvilket er en milliontedel af en milliontedel af et sekund!" siger Tielrooij.

Denne observation er meget hurtigere end for tilfældet med et enkelt lag grafen, især ved ultrakolde temperaturer (specifikt under -73°C). "Ved disse temperaturer er det meget svært for elektroner at miste energi til fononer, men alligevel sker det i MATBG'en. Vi observerede, at energien forsvinder meget hurtigt i MATBG'en - den sker på picosekunders tidsskala, som er en milliontedel af en- milliontedel af et sekund."

Hvorfor elektroner mister energi

Så hvorfor mister elektronerne energien så hurtigt gennem interaktion med fononerne? Nå, det viser sig, at forskerne har afsløret en helt ny fysisk proces.

"Den stærke elektron-fonon-interaktion er en helt ny fysisk proces og involverer såkaldt elektron-fonon Umklapp-spredning," tilføjer Hiroaki Ishizuka fra Tokyo Institute of Technology i Japan, som udviklede den teoretiske forståelse af denne proces sammen med Leonid Levitov fra Massachusetts Institute of Technology i USA

Umklapp-spredning mellem fononer er en proces, der ofte påvirker varmeoverførslen i materialer, fordi den gør det muligt at overføre relativt store mængder momentum mellem fononer.

"Vi ser virkningerne af phonon-phonon Umklapp, der spreder sig hele tiden, da det påvirker (ikke-metalliske) materialers evne til at lede varme ved stuetemperatur. Tænk bare på et isolerende materiale på håndtaget af en gryde for eksempel," siger Ishizuka. "Dog er elektron–fonon Umklapp-spredning sjælden. Her har vi dog for første gang observeret, hvordan elektroner og fononer interagerer via Umklapp-spredning for at sprede elektronenergi. Den stærke elektron–fonon-interaktion er en helt ny fysisk proces og involverer såkaldte elektron-fonon Umklapp-spredning."

Udfordringer løst sammen

Tielrooij og samarbejdspartnere har muligvis fuldført det meste af arbejdet, mens han var baseret i Spanien på Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), men som Tielrooij bemærker. "Det internationale samarbejde viste sig at være afgørende for at gøre denne opdagelse."

Så hvordan bidrog alle samarbejdspartnere til forskningen? Tielrooij siger:"For det første havde vi brug for avancerede fremstillingsteknikker til at lave MATBG-prøverne. Men vi havde også brug for en dyb teoretisk forståelse af, hvad der sker i prøverne. Derudover var der behov for ultrahurtige optoelektroniske måleopsætninger for også at måle, hvad der sker i prøverne. . Det internationale samarbejde viste sig at være afgørende for at gøre denne opdagelse."

Tielrooij og teamet modtog de magiske vinkelsnoede prøver fra Dmitri Efetovs gruppe ved Ludwig-Maximilians-Universität i München, som var den første gruppe i Europa, der kunne lave sådanne prøver, og som også udførte fotoblandingsmålinger, mens teoretisk arbejde på MIT i USA og ved Tokyo Institute of Technology i Japan viste sig at være afgørende for forskningens succes.

På ICN2 brugte Tielrooij og hans teammedlemmer Jake Mehew og Alexander Block banebrydende udstyr, især tidsopløst fotospændingsmikroskopi til at udføre deres målinger af elektron-fonon-dynamik i prøverne.

Fremtiden

Så hvordan ser fremtiden ud for disse materialer så? Ifølge Tielrooij skal du ikke forvente noget for tidligt.

"Da materialet kun bliver undersøgt i nogle få år, er vi stadig et stykke vej fra at se magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen have en indvirkning på samfundet."

Men der er meget, der skal udforskes om energitab i materialet.

"Fremtidige opdagelser kan have konsekvenser for ladningstransportdynamikken, hvilket kan have konsekvenser for fremtidige ultrahurtige optoelektronikenheder," siger Tielrooij. "Især ville de være meget nyttige ved lave temperaturer, så det gør materialet velegnet til rum- og kvanteapplikationer."

Forskningen fra Tielrooij og det internationale team er et reelt gennembrud, når det kommer til, hvordan elektroner og fononer interagerer med hinanden.

Men vi bliver nødt til at vente lidt længere for fuldt ud at forstå konsekvenserne af, hvad elektronen sagde til fononen i grafensandwichen.

Flere oplysninger: Jake Dudley Mehew et al., Ultrahurtig Umklapp-assisteret elektron-fononkøling i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Eindhoven University of Technology