De puzzel van 2D-stoornis oplossen

Wanneer spelers woordspelletjes proberen op te lossen, proberen ze aanwijzingen samen te stellen om de oplossing te vinden. Natuurlijk helpt het om een ​​sterke woordenschat te hebben, maar het vinden van de juiste antwoorden op die puzzels heeft net zoveel te maken met logica en strategie als met woordkunstenaar zijn.

Met behulp van een verrassend vergelijkbaar proces heeft een interdisciplinair team van Northwestern Engineering-onderzoekers een methode samengesteld om te bepalen hoe verschillende 2D-materialen reageren op wanorde – door enkele materialen te testen die mogelijk silicium zouden kunnen vervangen in nieuwe transistors en sensoren.

“De analysemethode zal leiden tot een beter begrip van wanordepotentieel in 2D-materialen om snellere transistors te helpen maken, evenals betere gassensoren die gemakkelijker verschillende gassen kunnen onderscheiden”, zegt Matthew Grayson, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de McCormick School of Engineering, en een van de auteurs van het onderzoek.

kwalijk genomen in de paper “Field-effect Conductivity Scaling for Two-dimensional Materials with Tunable Impurity Density”, gepubliceerd op 16 juni in het tijdschrift 2D-materialenontwikkelden de onderzoekers een methode om de vingerafdruk van de naburige aandoening te bepalen zoals gezien door een 2D-materiaal.

Vinayak Dravid, Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering, en Mark Hersam, Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering, droegen ook bij aan de inspanning. Chulin Wang, een Ph.D. kandidaat in Grayson’s onderzoeksgroep, was de eerste auteur van het artikel.

In de wetenschap verwijst wanorde naar onvolkomenheden of nabijgelegen ladingen die het anders rechte pad van een elektron zouden kunnen verstrooien. 2D-materialen zoals grafeen zijn bijzonder vatbaar voor wanorde in de buurt, omdat ze hoogstens letterlijk enkele atomen dik zijn

“De karakterisering van de stoornis is van het grootste belang voor het begrijpen en verbeteren van de prestaties van 2D-materialen,” zei Grayson. “Dit artikel laat zien dat er een universele curve bestaat die dient als een vingerafdruk van die stoornis. Hoewel verschillende doses stoornis lijken te resulteren in totaal ander gedrag, vertegenwoordigen deze gedragingen allemaal individuele draden van een algemeen tapijt.”

Hier komt de overeenkomst tussen de wetenschap en games die je op je telefoon of gedrukte krant speelt.

Met behulp van 2D-materiaalmonsters ontwikkeld door de Hersam- en Dravid-groepen, implementeerden Grayson en zijn team een ​​nieuwe methode om elektrische geleidbaarheidscurven te meten met behulp van een cryostaat, een apparaat dat monsters bij lage temperaturen bewaart voor microscopisch onderzoek. Bij kamertemperatuur kunnen de ladingen die wanorde vormen vrij verschuiven totdat ze een evenwicht bereiken, maar wanneer ze in de cryostaat worden bevroren, wordt de wanorde op zijn plaats bevroren.

Elke individuele geleidbaarheidscurve lijkt op een puzzelstukje. De onderzoekers gebruikten vervolgens een empirische regel om alle curven samen te voegen totdat ze een compleet beeld vormden.

Klinkt bekend?

Vervolgens gebruikten ze fysieke argumenten om te begrijpen waarom deze regel zo goed werkt. Als resultaat hebben ze het raadsel opgelost van hoe elk van de onderzochte materialen reageert op een specifieke klasse van onvolkomenheden.

“De indrukwekkende continuïteit van deze foto toen alle puzzelstukjes op hun plaats waren, inspireerde ons om dieper in de natuurkunde te graven om te begrijpen wat de onderliggende reden voor dit gedrag moet zijn,” zei Grayson. “Dezelfde mentaliteit die het grote publiek gebruikt om hun dagelijkse Wordle- of kruiswoordpuzzel op te lossen, wordt hier toegepast.”

Deze bevindingen hebben ook implicaties voor toekomstig 2D-materiaalonderzoek.

“In plaats van individuele apparaten gemaakt van hetzelfde 2D-materiaal te zien als een stel puzzelstukjes die elk afzonderlijk moeten worden bestudeerd, kun je nu lokaliseren waar een bepaald monster in de eerder opgeloste puzzel past,” zei Grayson, “zodat elk individu stuk wordt onmiddellijk herkend als onderdeel van een groter geheel.