Experimenten met gedraaide 2-D-materialen vangen elektronen op die zich collectief gedragen

Wetenschappers kunnen ambitieuze doelen hebben: ziekten genezen, verre werelden verkennen, revoluties op het gebied van schone energie. In het natuurkunde- en materiaalonderzoek zijn enkele van deze ambitieuze doelen het maken van normaal klinkende objecten met buitengewone eigenschappen: draden die stroom kunnen transporteren zonder enig energieverlies, of kwantumcomputers die complexe berekeningen kunnen uitvoeren die de huidige computers niet kunnen bereiken. En de werkbanken die in opkomst zijn voor de experimenten die ons geleidelijk naar deze doelen leiden, zijn tweedimensionale materialen – vellen materiaal die een enkele laag atomen dik zijn.

In een artikel dat op 14 september in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfysicameldt een team onder leiding van de Universiteit van Washington dat zorgvuldig geconstrueerde stapels grafeen – een 2-D-vorm van koolstof – sterk gecorreleerde elektron-eigenschappen kunnen vertonen. Het team vond ook bewijs dat dit soort collectief gedrag waarschijnlijk verband houdt met het ontstaan ​​van exotische magnetische toestanden.

“We hebben een experimentele opstelling gemaakt waarmee we elektronen in de grafeenlagen op een aantal opwindende nieuwe manieren kunnen manipuleren”, zegt co-senior auteur Matthew Yankowitz, een UW assistent-professor natuurkunde en materiaalkunde en engineering. als facultair onderzoeker bij het UW’s Clean Energy Institute.

Yankowitz leidde het team met co-senior auteur Xiaodong Xu, een UW-professor natuurkunde en materiaalkunde en engineering. Xu is ook een facultair onderzoeker bij het UW Molecular Engineering and Sciences Institute, het UW Institute for Nano-Engineered Systems en het UW Clean Energy Institute.

Omdat 2D-materialen één laag atomen dik zijn, worden bindingen tussen atomen slechts in twee dimensies gevormd en kunnen deeltjes zoals elektronen alleen bewegen als stukken op een bordspel: zij-aan-zij, van voren naar achteren of diagonaal, maar niet op of neer. Deze beperkingen kunnen 2D-materialen doordrenken met eigenschappen die hun 3D-tegenhangers niet hebben, en wetenschappers hebben 2D-vellen van verschillende materialen onderzocht om deze potentieel bruikbare eigenschappen te karakteriseren en te begrijpen.

Maar in het afgelopen decennium zijn wetenschappers zoals Yankowitz ook begonnen met het in lagen aanbrengen van 2-D-materialen – zoals een stapel pannenkoeken – en hebben ze ontdekt dat deze lagen, als ze in een bepaalde configuratie worden gestapeld en geroteerd en worden blootgesteld aan extreem lage temperaturen, exotische en onverwachte eigenschappen.

Het UW-team werkte met bouwstenen van dubbellaags grafeen: twee vellen grafeen die van nature aan elkaar zijn gelaagd. Ze stapelden de ene dubbellaag op de andere – in totaal vier grafeenlagen – en verdraaiden ze zodat de lay-out van koolstofatomen tussen de twee dubbellaag iets niet goed uitgelijnd was. Uit eerder onderzoek is gebleken dat het introduceren van deze kleine draaihoeken tussen enkele lagen of dubbellaagse grafeen grote gevolgen kan hebben voor het gedrag van hun elektronen. Met specifieke configuraties van het elektrische veld en de ladingsverdeling over de gestapelde dubbellagen, vertonen elektronen sterk gecorreleerd gedrag. Met andere woorden, ze beginnen allemaal hetzelfde te doen – of dezelfde eigenschappen te vertonen – op hetzelfde moment.

“In deze gevallen is het niet langer logisch om te beschrijven wat een individueel elektron doet, maar wat alle elektronen tegelijk doen”, zei Yankowitz.

“Het is alsof je een kamer vol mensen hebt waarin een verandering in het gedrag van een persoon ervoor zorgt dat iedereen op dezelfde manier reageert”, zegt hoofdauteur Minhao He, een UW-doctoraatsstudent natuurkunde en een voormalig fellow van het Clean Energy Institute.

Kwantummechanica ligt ten grondslag aan deze gecorreleerde eigenschappen, en aangezien de gestapelde grafeendubbellagen een dichtheid hebben van meer dan 10 ^ 12, of een biljoen elektronen per vierkante centimeter, gedragen veel elektronen zich collectief.

Het team probeerde enkele van de mysteries van de gecorreleerde staten te ontrafelen in hun experimentele opstelling. Bij temperaturen van slechts een paar graden boven het absolute nulpunt ontdekte het team dat ze het systeem konden ‘afstemmen’ op een soort gecorreleerde isolatietoestand – waar het geen elektrische lading zou geleiden. In de buurt van deze isolerende toestanden vond het team gebieden met sterk geleidende toestanden met kenmerken die op supergeleiding lijken.

Hoewel andere teams deze staten onlangs hebben gemeld, bleef de oorsprong van deze functies een raadsel. Maar het werk van het UW-team heeft bewijs gevonden voor een mogelijke verklaring. Ze ontdekten dat deze toestanden aangedreven leken te worden door een kwantummechanische eigenschap van elektronen die “spin” wordt genoemd – een soort impulsmoment. In regio’s in de buurt van de gecorreleerde isolatietoestanden vonden ze bewijs dat alle elektronenspins spontaan op één lijn liggen. Dit kan erop duiden dat in de buurt van de regio’s met gecorreleerde isolatietoestanden een vorm van ferromagnetisme aan het ontstaan ​​is – niet supergeleiding. Maar aanvullende experimenten zouden dit moeten verifiëren.

Deze ontdekkingen zijn het nieuwste voorbeeld van de vele verrassingen die voor ons liggen bij het uitvoeren van experimenten met 2-D materialen.

“Veel van wat we in deze onderzoekslijn doen, is proberen opkomende elektronische toestanden te creëren, te begrijpen en te beheersen, die ofwel gecorreleerd of topologisch kunnen zijn, of beide eigenschappen bezitten,” zei Xu. “We kunnen onderweg veel met deze staten doen – een vorm van kwantumcomputers, een nieuw apparaat voor het oogsten van energie of een aantal nieuwe soorten sensoren, bijvoorbeeld – en eerlijk gezegd weten we het pas als we het proberen. “

Verwacht in de tussentijd dat stapels, dubbellagen en draaihoeken golven blijven maken.