Een onderzoeksteam van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft het eerste bewijs gevonden dat een schuddende beweging in de structuur van een atomair dun (2-D) materiaal een natuurlijk voorkomende cirkelvormige rotatie heeft.

Deze rotatie zou de bouwsteen kunnen worden voor een nieuwe vorm van informatietechnologie, en voor het ontwerp van rotors op moleculaire schaal om microscopisch kleine motoren en machines aan te drijven.

Het monolaag materiaal, wolfraamdiselenide (WSe ₂ ), staat al bekend om zijn ongebruikelijke vermogen om speciale elektronische eigenschappen te behouden die veel vluchtiger zijn in andere materialen.

Het wordt beschouwd als een veelbelovende kandidaat voor een gewilde vorm van gegevensopslag die bekend staat als valleytronics, bijvoorbeeld, waarin het momentum en de golfbeweging van elektronen in een materiaal kan worden gesorteerd in tegenovergestelde "dalen" in de elektronische structuur van een materiaal, waarbij elk van deze valleien de enen en nullen in conventionele binaire gegevens vertegenwoordigt.

Moderne elektronica vertrouwt doorgaans op manipulaties van de lading van elektronen om informatie te vervoeren en op te slaan, hoewel elektronica in toenemende mate wordt geminiaturiseerd, zijn ze meer onderhevig aan problemen in verband met warmteophoping en elektrische lekken.

De laatste studie, deze week online gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , biedt een mogelijk pad om deze problemen op te lossen. Het meldt dat sommige fononen van het materiaal, een term die collectieve trillingen in atomaire kristallen beschrijft, draaien van nature in een bepaalde richting.

Deze eigenschap staat bekend als chiraliteit - vergelijkbaar met de handigheid van een persoon waarbij de linker- en rechterhand een spiegelbeeld van elkaar zijn, maar niet identiek. Het regelen van de richting van deze rotatie zou een stabiel mechanisme verschaffen om informatie te dragen en op te slaan.

"Fononen in vaste stoffen worden meestal beschouwd als de collectieve lineaire beweging van atomen, " zei Xiang Zhang, de corresponderende auteur van de studie en senior wetenschapper van de Materials Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory en professor aan de UC Berkeley. "Ons experiment ontdekte een nieuw type zogenaamde chirale fononen waarbij atomen in cirkels bewegen in een atomair monolaagkristal van wolfraamdiselenide."

Hanyu Zhu, de hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker bij de groep van Zhang, zei, "Een van de grootste voordelen van chirale fononen is dat de rotatie wordt vergrendeld met het momentum van het deeltje en niet gemakkelijk wordt verstoord."

In de bestudeerde fononmodus, de seleniumatomen lijken samen met de klok mee te draaien, terwijl de wolfraamatomen geen beweging vertoonden. Onderzoekers maakten een "sandwich" met vier vellen centimetergrote monolaag WSe2-monsters die tussen dunne saffierkristallen waren geplaatst. Ze synchroniseerden ultrasnelle lasers om de tijdafhankelijke bewegingen vast te leggen.

De twee laserbronnen kwamen samen op een plek op de monsters met een diameter van slechts 70 miljoenste van een meter. Een van de lasers werd precies geschakeld tussen twee verschillende afstemmingsmodi om het verschil tussen linker en rechter chirale fononactiviteit te voelen.

Een zogenaamde pomplaser produceerde zichtbaar, roodlichtpulsen die de monsters opgewonden, en een sondelaser produceerde midden-infrarode pulsen die de eerste pomppuls binnen een biljoenste van een seconde volgden. Ongeveer één mid-infrarood foton op elke 100 miljoen wordt geabsorbeerd door WSe2 en omgezet in een chiraal fonon.

De onderzoekers vingen vervolgens de hoogenergetische luminescentie van het monster, een handtekening van deze zeldzame absorptiegebeurtenis. Door deze techniek, bekend als voorbijgaande infraroodspectroscopie, onderzoekers bevestigden niet alleen het bestaan ​​van een chiraal fonon, maar verkregen ook nauwkeurig de rotatiefrequentie ervan.

Tot dusver, het proces produceert slechts een klein aantal chirale fononen. Een volgende stap in het onderzoek is het genereren van grotere aantallen roterende fononen, en om te leren of krachtige agitaties in het kristal kunnen worden gebruikt om de spin van elektronen om te keren of om de vallei-eigenschappen van het materiaal aanzienlijk te veranderen. Spin is een inherente eigenschap van een elektron dat kan worden gezien als zijn kompasnaald - als het zou kunnen worden omgedraaid om naar het noorden of het zuiden te wijzen, zou het kunnen worden gebruikt om informatie over te brengen in een nieuwe vorm van elektronica, spintronica genaamd.

"De potentiële op fononen gebaseerde controle van elektronen en spins voor apparaattoepassingen is zeer opwindend en binnen handbereik, "Zei Zhu. "We hebben al bewezen dat fononen in staat zijn om de elektronische vallei te schakelen. In aanvulling, dit werk biedt de mogelijkheid om de roterende atomen te gebruiken als kleine magneten om de spinoriëntatie te leiden."

De chirale eigenschappen die in het onderzoek zijn gevonden, bestaan ​​waarschijnlijk in een breed scala aan 2D-materialen op basis van een vergelijkbare patroon in hun atomaire structuur, Zhu merkte ook op, eraan toevoegend dat de studie theoretisch onderzoek naar elektron-fonon-interacties en het ontwerp van materialen zou kunnen leiden om op fonon gebaseerde effecten te verbeteren.

"Hetzelfde principe werkt in alle 2-D periodieke structuren met drievoudige symmetrie en inversie-asymmetrie", zei Zhu. "Hetzelfde principe omvat een enorme familie van natuurlijke materialen, en er zijn bijna oneindige mogelijkheden voor het maken van rotoren op moleculaire schaal."