5 Minutės
Nauja medžiagų paradigma
Rutgers universiteto–New Brunswick mokslininkai pranešė apie anksčiau nežinomos medžiagų klasės sukūrimą, kurią jie vadina „interkristalais“. Šios sluoksniuotos struktūros demonstruoja elektroninį elgesį, skirtingą nuo įprastų kristalų ir kvazikristalų, ir gali pakeisti požiūrį į elektroniką, kvantinius įrenginius bei tvarų medžiagų dizainą. Straipsnyje Nature Materials parodyta, kaip smulkūs geometrijos pokyčiai atomų mastu gali reikšmingai pakeisti elektronų judėjimą ir atskleisti emergentines savybes, tokias kaip superlaidumas ir magnetizmas.
Kaip kuriami interkristalai: moiré inžinerija ir twistronika
Rutgers komanda sukonstravo interkristalus sukraudama dvi grafeno plokšteles — kiekviena vieno atomo storio, išsidėsčiusios šešiakampėje, medaus koriu primenančioje tinkle — ant heksagoninio borono nitrido (hBN) kristalo. Sukdami grafeno sluoksnius kampu vienas prieš kitą ir prieš hBN substratą, tyrėjai sukūrė moiré raštus: didelio masto interferencinius raštus, atsirandančius, kai du periodiniai tinklai yra netiksliai išlygiuoti. Šie moiré supertinklai, esminiai twistronikos srityje, veikia kaip nauja periodinė potencialo struktūra, pertvarkanti elektronų sklidimą medžiagoje.
Ką reiškia twistronika?
Twistronika yra medžiagų dizaino strategija, kai elektroninės savybės reguliuojamos sukant atomų storio sluoksnius vienas kito atžvilgiu. Santykinis kampas keičia moiré raštą ir taip efektyvų elektroninį kraštovaizdį. Rutgers grupė šią idėją tyrinėjo daugiau nei prieš dešimtmetį, o twistronika tapo galingu būdu kurti koreliuotas elektronų fazes, įskaitant netipinį superlaidumą ir izoliacines būsenas, nekeičiant cheminės sudėties.
Pagrindiniai atradimai: elektronai valdomi geometrija
Tyrimas rodo, kad interkristalai užima tarpinę sritį tarp įprastų kristalų ir kvazikristalų. Kol kristalai pasižymi pasikartojančia translacine simetrija, o kvazikristalai turi tvarkingus, tačiau nepasikartojančius raštus, interkristalai apjungia abiejų bruožus: jie gali turėti nepasikartojančią moiré geometriją, bet išlaikyti simetrijos ryšius, kurie reikšmingai veikia elektronų elgseną.
T kadangi elektronų juostos interkristaluose nulemtos geometrijos, o ne chemijos, menki pasukimų ar išlygiavimo pakitimai lemia didelius laidumo, magnetizmo ir superlaidumo polinkių pokyčius. Vyriausioji autorė Eva Andrei pažymi, kad tai suteikia mokslininkams „naują svirtį“ elektroninių fazių kontrolei vien tik geometrijos dėka. Bendraautoris Jedediah Pixley priduria, kad galima įsivaizduoti visą įrenginių architektūrą, kur jungimas, jutimas ir signalo maršrutizavimas valdomi atomų lygmens geometrijos vietoje sudėtingų medžiagų heterostruktūrų.
Mokslinis fonas ir eksperimentiniai duomenys
Eksperimente derintas didelio tikslumo plokštelių perkėlimas su atominiu išlyginimu, kad būtų užtikrinti kontroliuojami sukimosi kampai tarp grafeno sluoksnių ir hBN substrato. Elektroniniai transporto ir spektroskopiniai matavimai leido žemėlapyje užfiksuoti, kaip elektronai reaguoja skirtingose geometrinėse konfiguracijose. Gautas duomenų rinkinys atskleidė emergentines juostas ir koreliuotas būsenas, kurios smarkiai keičiasi net dėl nedidelių struktūrinių korekcijų — tai interkristalinio elgesio požymis.
Kodėl geometrija yra svarbi
Elektronai kietojoje medžiagoje užima energijos juostas, kurias lemia atomų išsidėstymas. Reguliariame kristale simetrijos ribojimai daro juostas nuspėjamas. Įvedus moiré raštą, sukuriama nauja periodinė potencialo struktūra, turinti daug didesnį ilgį, kas keičia juostų pločius ir sąveikų stiprumą. Interkristaluose pagrindinių tinklų ir moiré supertinklo sąveika sukelia geometrinį frustravimą ir naujas elektronines fazes.
Poveikis: taikymas, tvarumas ir ateities technologijos
Interkristalai gali leisti sukurti mažo nuostolio elektroniką ir kompaktiškus atominio lygmens jutiklius, kas svarbu kvantiniams kompiuteriams ir pažangiai vartotojų elektronikai. Galimybė valdyti superlaidumą ir magnetinį užsakymą per geometriją atveria kelią energiją taupančioms tranzistorių koncepcijoms, neuraliems (neuromorfinams) komponentams ir lustiniams kvantiniams elementams, kuriems reikėtų mažiau cheminių dopantų arba sudėtingų gamybos žingsnių.
Tvarumas yra dar viena potenciali nauda: interkristalai gali būti surenkami iš gausių, netoksiškų elementų, tokių kaip anglis, boras ir azotas, suteikdami didesnį mastelį nei įrenginiai, priklausantys nuo retų arba aplinkai kenksmingų žemės retųjų elementų.
Ekspertų įžvalga
Dr. Miriam Ortega, medžiagų fizikos specialistė, nedalyvavusi tyrime, komentuoja: „Šis darbas svariai parodo, kaip moiré inžinerija gali sukurti iš esmės naujas medžiagų fazes. Elektroninių sąveikų valdymas per geometriją sumažina priklausomybę nuo cheminių sprendimų ir gali supaprastinti įrenginių architektūras. Dabar iššūkis — atkartojamumas ir šių struktūrų integracija į mastelio gamybos procesus.“
Susijusios technologijos ir tyrimų kryptys
Šis atradimas tiesiogiai susijęs su vykdomais tyrimais twistronikos, van der Waals heterostruktūrų ir kvantinių medžiagų srityse. Tolimesni žingsniai apims platesnį sukimosi kampų ir substratų pasirinkimą, gamybos išeigos gerinimą bei dinaminio ir terminio stabilumo tyrimus. Integracija su esamomis puslaidininkių platformomis ir patvaraus poveikio esant kambario temperatūrai pasiekimas išlieka svarbiausiais inžineriniais tikslais.
Išvados
Interkristalai įveda naują svirtį medžiagų dizaine: atomų masto geometriją. Sukraudami ir sukdami atomų storio sluoksnius, tokius kaip grafenas ant borono nitrido, mokslininkai gali sukelti moiré supertinklus, kurie pertvarko elektronų elgseną ir sukuria emergentines superlaidumo bei magnetines fazes. Ši geometrijos kontrolė žada kelius link energiją taupančios elektronikos, naujoviškų kvantinių įrenginių ir tvaresnių medžiagų sistemų. Tobulėjant eksperimentiniams metodams ir brandinant teoriją, interkristalai gali tapti pamatiniais elementais ateities technologijoms.
Šaltinis: scitechdaily
Komentarai