Nieuwe klasse 2D-materiaal vertoont een stabiele ladingsdichtheidsgolf bij kamertemperatuur

Kwantummaterialen hebben de afgelopen decennia aanzienlijke belangstelling voor computertoepassingen gegenereerd, maar niet-triviale kwantumeigenschappen – zoals supergeleiding of magnetische spin – blijven in fragiele toestanden.

“Bij het ontwerpen van kwantummaterialen is het spel altijd een strijd tegen wanorde”, zegt Robert Hovden, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Michigan.

Warmte is de meest voorkomende vorm van wanorde die kwantumeigenschappen verstoort. Kwantummaterialen vertonen vaak pas exotische verschijnselen bij zeer lage temperaturen, wanneer het atoom bijna stopt met trillen, waardoor de omringende elektronen met elkaar kunnen interageren en zichzelf op onverwachte manieren kunnen herschikken. Dit is de reden waarom kwantumcomputers momenteel worden ontwikkeld in baden met vloeibaar helium van −269 °C, of ​​ongeveer -450 F. Dat is slechts een paar graden boven nul Kelvin (-273,15 °C).

Materialen kunnen ook kwantumeigenschappen verliezen wanneer ze van 3D naar een enkele 2D-laag van atomen worden geëxfolieerd, wat van bijzonder belang is voor de ontwikkeling van apparaten op nanoschaal.

Nu heeft een door de Universiteit van Michigan geleid onderzoeksteam een ​​nieuwe manier ontwikkeld om een ​​exotisch kwantumfenomeen, een ladingsdichtheidsgolf, bij kamertemperatuur te induceren en te stabiliseren. Ze hebben in wezen een nieuwe klasse 2D-materialen geïdentificeerd. De resultaten worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

“Dit is de eerste waarneming van een ladingsdichtheidsgolf die geordend en in twee dimensies is. We waren geschokt dat deze niet alleen een ladingsdichtheidsgolf in twee dimensies heeft, maar dat de ladingsdichtheidsgolf aanzienlijk is verbeterd”, aldus Hovden.

In plaats van de typische aanpak van het exfoliëren en afpellen van individuele atomaire lagen om een ​​2D-materiaal te maken, lieten de onderzoekers het 2D-materiaal in een andere matrix groeien. Ze noemden de nieuwe klasse materialen ‘endotaxiaal’, afgeleid van de Griekse wortels ‘endo’, wat ‘binnen’ betekent, en ’taxi’s’, wat op een geordende manier betekent.

De onderzoekers werkten met een metaalkristal, tantaaldisulfide (TaS2), dat, zoals bij elk kristal, atomen heeft die in een patroon zijn geordend, zoals netjes gerangschikte pingpongballen in alle richtingen. Ze merkten op dat naarmate het materiaal groeide, de elektronen van de ingeklemde 2D TaS2-kristallaag spontaan samenklonterden om hun eigen kristal te vormen, bekend als een ladingskristal of een ladingsdichtheidsgolf – een zich herhalend patroon in de verdeling van elektronen in een vast materiaal.

Naarmate de elektronen klonteren en kristalliseren, wordt hun beweging beperkt en geleidt het metaal de elektriciteit niet langer goed. Zonder de chemie van het materiaal te veranderen, heeft de vorming van ladingskristallen het materiaal omgezet van een geleider in een isolator. Dit exotische kwantumfenomeen zou nuttig kunnen zijn als transistor in klassieke of kwantumcomputers, en zou kunnen fungeren als poort om de spanningsstroom te regelen.

“Dit opent het idee dat endoaxiale synthese een belangrijke strategie zou kunnen zijn om fragiele kwantumtoestanden te stabiliseren bij de normale temperatuurbereiken waarin we leven”, zegt Suk Hyun Sung, eerste auteur van het artikel en promovendus aan de Universiteit van Michigan en huidig ​​postdoc bij het Rowland Instituut van de Harvard Universiteit.

Met een ladingskristal dat stabiel is bij kamertemperatuur in de hand, besloten de onderzoekers deze op te warmen om veranderingen waar te nemen.

“Het wordt besteld bij onverwacht hoge temperaturen. Niet alleen bij kamertemperatuur, maar als je het verwarmt tot voorbij het kookpunt van water, heeft het nog steeds een golf van ladingsdichtheid”, zegt Hovden.

De onderzoekers zagen uiteindelijk hoe het ladingskristal wegsmolt terwijl het materiaal vast bleef, waardoor de kwantumtoestand werd verwijderd.

Experimenten als deze vergroten ons basisbegrip van kwantummaterialen, wat essentieel is als onderzoekers exotische kwantumfenomenen proberen te benutten voor technische oplossingen.

“Kwantummaterialen zullen zowel de klassieke als de kwantumcomputers ontwrichten”, zegt Hovden.

Beide velden zitten vast, zegt Hovden. Klassieke computers hebben uitgeput wat silicium kan doen en kwantumcomputers kunnen momenteel alleen bij extreem lage temperaturen werken. Ze hebben kwantummaterialen nodig om vooruit te komen.

Voorlopig legt dit onderzoek de basis voor het ontdekken van nieuwe kwantummaterialen met behulp van de endoaxiale synthese en biedt het belofte voor het stabiliseren van kwantumeigenschappen bij meer praktische temperaturen.