Nieuwe vaardigheden van grafeen: afstembare roostertrillingen

Zonder elektronica en fotonica zouden er geen computers, smartphones, sensoren of informatie- en communicatietechnologieën zijn. In de komende jaren kan het nieuwe gebied van de fononiek deze mogelijkheden verder uitbreiden. Dat veld houdt zich bezig met het begrijpen en beheersen van roostertrillingen (fononen) in vaste stoffen. Om fononische apparaten te realiseren, moeten roostertrillingen echter zo nauwkeurig worden geregeld als gewoonlijk wordt gerealiseerd in het geval van elektronen of fotonen.

Fononische kristallen

De belangrijkste bouwsteen voor zo’n apparaat is een fononisch kristal, een kunstmatig vervaardigde structuur waarin eigenschappen zoals stijfheid, massa of mechanische spanning periodiek variëren. Fononische apparaten worden gebruikt als akoestische golfgeleiders, fononlenzen en trillingsschilden en kunnen in de toekomst mechanische Qubits realiseren. Tot nu toe werkten deze systemen echter op vaste trillingsfrequenties. Het was niet mogelijk om hun trillingsmodi op een gecontroleerde manier te veranderen.

Periodiek gatenpatroon in grafeen

Nu heeft een team van Freie Universität Berlin en HZB voor het eerst deze controle aangetoond. Ze gebruikten grafeen, een vorm van koolstof waarin de koolstofatomen tweedimensionaal met elkaar verbonden zijn om een ​​platte honingraatstructuur te vormen. Met behulp van een gefocusseerde bundel heliumionen kon het team een ​​periodiek patroon van gaten in het grafeen snijden. Deze methode is beschikbaar bij CoreLab CCMS (Correlative Microscopy and Spectroscopy). “We moesten het proces veel optimaliseren om een ​​regelmatig patroon van gaten in het grafeenoppervlak te snijden zonder aangrenzende gaten te raken”, legt Dr. Katja Höflich, groepsleider bij Ferdinand-Braun-Institut Berlin en gastwetenschapper bij HZB, uit.

Bandgap en afstembaarheid

Jan N. Kirchhof, eerste auteur van de studie die nu is gepubliceerd in Nano Letters, berekende de vibratie-eigenschappen van dit fononische kristal. Zijn simulaties laten zien dat in een bepaald frequentiebereik geen trillingsmodi zijn toegestaan. Analoog aan de elektronische bandstructuur in vaste stoffen, is dit gebied een mechanische bandafstand. Deze bandafstand kan worden gebruikt om individuele modi te lokaliseren om ze tegen de omgeving te beschermen. Wat hier speciaal is: “De simulatie laat zien dat we het fononische systeem snel en selectief kunnen afstemmen, van 50 megahertz tot 217 megahertz, via toegepaste mechanische druk, geïnduceerd door een poortspanning.” zegt Jan Kirchhof.

Toekomstige toepassingen

“We hopen dat onze resultaten het gebied van de fononiek verder zullen stimuleren. We verwachten een aantal fundamentele fysica te ontdekken en technologieën te ontwikkelen die kunnen leiden tot toepassing in bijvoorbeeld ultragevoelige fotosensoren of zelfs kwantumtechnologieën”, legt prof. Kirill Bolotin uit, hoofd van de FU. groep. De eerste experimenten met de nieuwe fononische kristallen van HZB zijn al aan de gang in zijn groep.