Al zo'n 50 jaar hebben wetenschappers gewerkt aan het benutten van Bloch-oscillaties, een exotisch soort gedrag van elektronen dat een nieuw veld van de natuurkunde zou kunnen introduceren - en belangrijke nieuwe technologieën - net zoals meer conventioneel elektronisch gedrag heeft geleid tot alles, van slimme horloges tot computers die krachtig genoeg zijn om ons naar de maan te brengen.

Nutsvoorzieningen, Natuurkundigen van MIT rapporteren over een nieuwe benadering voor het bereiken van Bloch-oscillaties in recent geïntroduceerde superroosters van grafeen. grafeen, een materiaal bestaande uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur, is een uitstekende geleider van elektriciteit. Zijn elektronische eigenschappen ondergaan een interessante transformatie in de aanwezigheid van een "elektrisch gaas" (een periodieke potentiaal), wat resulteert in nieuwe soorten elektronengedrag die niet worden gezien in ongerepte materialen. In een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , de wetenschappers schetsen waarom grafeen-superroosters game changers kunnen zijn bij het nastreven van Bloch-oscillaties.

Normaal gesproken, elektronen blootgesteld aan een constant elektrisch veld versnellen in een rechte lijn. Echter, kwantummechanica voorspelt dat elektronen in een kristal, of materiaal samengesteld uit atomen die op een ordelijke manier zijn gerangschikt, anders kan gedragen. Bij blootstelling aan een elektrisch veld, ze kunnen oscilleren in kleine golven - Bloch-oscillaties. "Dit verrassende gedrag is een iconisch voorbeeld van coherente dynamiek in quantum veellichamensystemen, " zegt Leonid Levitov, een MIT-professor in de natuurkunde en leider van het huidige werk. Levitov is ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory.

Andere auteurs zijn Ali Fahimniya en Zhiyu Dong, beide MIT-afgestudeerde studenten natuurkunde, en Egor I. Kiselev van het Karlsruher Institut für Technologie.

Op weg naar nieuwe toepassingen

belangrijk, Bloch-oscillaties treden op bij een frequentiewaarde die voor alle elektronen gelijk is en afstembaar is door het aangelegde elektrische veld. Verder, typische frequentiewaarden - in het terahertz-bereik, of biljoenen cycli per seconde - bevinden zich in het bereik dat moeilijk toegankelijk is via conventionele middelen. De hedendaagse elektronica en optica werken op frequenties onder en boven de terahertz, respectievelijk. "Terahertz-frequenties zijn iets daar tussenin, en we profiteren er niet zoveel van als van de rest van het spectrum, ' zegt Levitov. 'Als we er gemakkelijk bij konden, er kunnen veel toepassingen zijn, variërend van betere niet-invasieve beveiligingsscans op luchthavens tot nieuwe elektronica-ontwerpen."

Vanwege de interessante fysica en mogelijke toepassingen van Bloch-oscillaties, door de jaren heen hebben veel wetenschappers geprobeerd het gedrag aan te tonen. Bloch-oscillaties, echter, zijn erg gevoelig voor verstrooiingsprocessen in het materiaal door roostertrillingen (fononen) en wanorde. Als resultaat, hoewel eerder werk gericht op het creëren van Bloch-oscillaties buitengewoon belangrijk was - één benadering, vertrouwen op halfgeleidende superroosters, leidde tot een Nobelprijs en moderne solid-state lasers - het had slechts beperkt succes in de richting van zijn oorspronkelijke doel. "Mensen zagen handtekeningen van Bloch-oscillaties in deze systemen, maar niet op het niveau dat nuttig zou zijn voor iets praktisch. Er was onvermijdelijk enige defasering, wat behoorlijk vernietigend bleek te zijn [voor het fenomeen], ' zegt Levitov.

Een nieuw materiaal

Voer een nieuw materiaal in dat bekend staat als moiré grafeen. Gepionierd aan het MIT door natuurkundeprofessor Pablo Jarillo-Herrero, moiré grafeen is samengesteld uit twee lagen atomair dunne lagen grafeen die op elkaar zijn geplaatst en onder een kleine hoek zijn gedraaid. "En volgens de theorie, dit materiaal zou een ideale kandidaat moeten zijn om Bloch-oscillaties te zien, " zegt Levitov. In de recente krant, hij en collega's analyseerden de parameters van het materiaal die van invloed zijn op hoe elektronen erin bewegen en hoe weinig wanorde het heeft, en "we laten zien dat in alle opzichten, moiré grafeen is zo goed als de halfgeleidende superroosters, of beter."

Verder, andere aantrekkelijke variëteiten van superroosters zijn onlangs verschenen, waarbij grafeen is gecombineerd met hexagonaal boornitride, of met patroon diëlektrische superroosters. Onder de extra voordelen, superroosters van grafeen zijn veel gemakkelijker te maken dan de gecompliceerde structuren die de sleutel tot het eerdere werk zijn. "Die systemen werden geproduceerd door slechts een paar hooggekwalificeerde groepen over de hele wereld, ", zegt Levitov. Moiré-grafeen wordt alleen al door verschillende groepen in de VS gemaakt, en nog veel meer wereldwijd.

Eindelijk, Levitov en collega's zeggen:moiré grafeen voldoet aan een ander belangrijk criterium om Bloch-oscillaties praktisch te maken. Terwijl de elektronen die betrokken zijn bij de oscillaties dit doen op dezelfde terahertz-frequentie, zonder een beetje hulp doen ze dat zelfstandig. De sleutel is om ze over te halen om synchroon te oscilleren. "Als je dat kunt, dan ga je van in wezen een fenomeen van één elektron naar macroscopische oscillaties die gemakkelijk detecteerbaar en zeer bruikbaar zullen zijn omdat ze een bron van macroscopische stroom zullen worden, " zegt Levitov. De wetenschappers zijn van mening dat de elektronen in moiré-grafeen behoorlijk vatbaar moeten zijn voor synchronisatie met behulp van standaardtechnieken.

Dmitri Basov, Higgins Professor en voorzitter van de natuurkunde aan de Columbia University, opmerkingen, "Zoals veel andere voorspellingen van Leonid Levitov en zijn team, dit nieuwe resultaat op Bloch-oscillaties zal zeker tal van experimentele studies motiveren. Ik voorspel dat het niet gemakkelijk zal zijn om Bloch-oscillaties waar te nemen in moiré flatband-systemen, maar we zullen het zeker proberen." Basov was niet betrokken bij het werk waarover in Fysieke beoordelingsbrieven .

Levitov is enthousiast over het voortzetten van het werk, waaronder MIT-studenten. "Het beste hiervan komt later wanneer we experimentele resultaten zien die het idee bewijzen, " hij zegt.