Onderzoekers van de Universiteit van Chicago en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een nieuwe methode ontwikkeld om te meten hoe fotostromen in een 2D-materiaal stromen - een resultaat dat gevolgen kan hebben voor de ontwikkeling van kwantumsensoren en elektronica van de volgende generatie.

Door kwantumsensoren te gebruiken om het magnetische veld in extreem dun molybdeendisulfide (MoS ₂ ) - een materiaal van slechts drie atomen dik - het team ontdekte hoe fotostromen (elektrische stromen geïnduceerd door licht) in het materiaal stroomden - in dit geval, verrassend genoeg, in een draaikolk rond de laser. Deze ultragevoelige methode om dergelijke stromen te meten in een tweedimensionaal materiaal, dat is een stof met een dikte van enkele nanometers of minder, zal onderzoekers helpen het materiaal beter te begrijpen in de hoop het uiteindelijk te gebruiken om flexibele elektronica en zonnecellen te maken. De resultaten zijn op 6 januari gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"Het vermogen om elektronisch gedrag te observeren dat onzichtbaar is voor traditionele metingen, opent nieuwe wegen voor wetenschappelijk onderzoek, en helpt ons uiteindelijk bij het ontwerpen van efficiënte kwantumtechnologieën, " zei hoofdonderzoeker David Awschalom, Liew Family Professor in Molecular Engineering, senior wetenschapper bij Argonne National Laboratory, en directeur van de Chicago Quantum Exchange. "Deze gevoelige meettechniek stelt ons in staat om fenomenen op atomaire schaal te onderzoeken en nieuwe apparaten te ontwikkelen voor kwantumdetectie en communicatie.

Stromen meten in extreem dunne materialen

Om de meting uit te voeren, Awschalom en het team plaatsten MoS ₂ op een stikstof-vacaturecentrum, dat is een defect in een diamant waar een stikstofatoom naast een lege plek in het diamantrooster zit. Deze vlekken kunnen worden gebruikt om elektronische en nucleaire spinverschijnselen te bestuderen.

Het team scheen vervolgens met een rode laser op het materiaal om te zien of ze tijdelijke magnetische storingen konden detecteren (waarvan ze dachten dat de laser dit zou kunnen veroorzaken). Maar in plaats van magnetische storingen, ze ontdekten sterke fotostromen, die kan ontstaan ​​als er licht op een materiaal schijnt. Deze fotostromen produceren magnetische velden terwijl ze stromen. Fotostromen vormen de basis achter de technologie in digitale camera's, zonnepanelen, en glasvezelnetwerken.

De onderzoekers waren verrast toen ze de fotostromen ontdekten die in een draaikolk rond de laser reizen - een vorm die met andere technieken onmogelijk te detecteren zou zijn.

Traditionele methoden om te meten hoe fotostromen door MoS . stromen ₂ zijn moeilijk uit te voeren en zijn vaak onjuist. Het begrijpen van dit fenomeen is belangrijk om potentieel flexibele en transparante elektronica van MoS . te ontwikkelen ₂ en andere 2D-materialen.

"We zijn veel gelukkiger dat we fotostromen hebben gevonden in plaats van de magnetische storingen waarnaar we op zoek waren, " zei Paul Jerger, een afgestudeerde student in het UChicago-lab van Awschalom en in Argonne, die het onderzoek deed met voormalig postdoctoraal fellow Brian Zhou, die nu op Boston College zit. "Het begrijpen van fotostromen zal ons helpen de elektrische eigenschappen van materialen als deze beter te begrijpen, met de hoop ze te gebruiken voor elektronica zoals digitale camera's of zonnecellen."

Compactere kwantumapparaten maken

De bevinding zou de weg kunnen banen voor betere experimentele opstellingen in het laboratorium, waar de stikstof-leegstandscentra worden gebruikt om kwantumoperaties uit te voeren. Het zal ook nuttig zijn om te begrijpen hoe fotostromen worden gegenereerd en gepropageerd, waarmee onderzoekers dunne materialen kunnen gebruiken voor digitale camera's, zonnepanelen, of zelfs on-demand magnetische velden waarvoor geen elektrische draden nodig zijn.

Vervolgens hoopt het team het proces aan te passen om fotostromen bij kamertemperatuur te meten, en om te proberen deze techniek toe te passen om fotostromen in andere dunne materialen te meten, zoals grafeen.

"Omdat we kwantummaterialen van de hoogste kwaliteit synthetiseren, we willen ze idealiter meten zonder storende elektrische verbindingen te maken, " zei Jiwoong Park, hoogleraar scheikunde aan UChicago en mede aangestelde te Argonne, wiens groep de MoS . heeft gemaakt ₂ gebruikt in de studie. "Deze nieuwe techniek stelt ons in staat om dat te doen, de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe kwantummaterialen in processen op industriële schaal."