grafeen, een enkel atoom dikke laag koolstof, heeft geleid tot veel onderzoek naar zijn unieke elektronische, optische en mechanische eigenschappen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een andere verbinding gevonden die veel van de ongebruikelijke kenmerken van grafeen deelt - en in sommige gevallen interessante aanvullende eigenschappen heeft voor dit veelgeprezen materiaal.

Het materiaal, een dunne film van bismut-antimoon, kan een verscheidenheid aan verschillende beheersbare kenmerken hebben, vonden de onderzoekers, afhankelijk van de omgevingstemperatuur en druk, de dikte van het materiaal en de oriëntatie van de groei. Het onderzoek, uitgevoerd door materiaalwetenschap en techniek, promovendus Shuang Tang en instituutsprofessor Mildred Dresselhaus, verschijnt in het journaal Nano-letters .

zoals grafeen, het nieuwe materiaal heeft elektronische eigenschappen die bekend staan ​​als tweedimensionale Dirac-kegels, een term die verwijst naar de kegelvormige grafiek die energie uitzet tegen momentum voor elektronen die door het materiaal bewegen. Deze ongebruikelijke eigenschappen - waardoor elektronen op een andere manier kunnen bewegen dan in de meeste materialen mogelijk is - kunnen de bismut-antimoonfilms eigenschappen geven die zeer wenselijk zijn voor toepassingen bij de productie van elektronische chips van de volgende generatie of thermo-elektrische generatoren en koelers.

Bij dergelijke materialen Tang zegt, elektronen "kunnen reizen als een lichtstraal, ” mogelijk nieuwe chips mogelijk maken met veel snellere rekencapaciteiten. De elektronenstroom kan in sommige gevallen honderden keren sneller zijn dan in conventionele siliciumchips, hij zegt.

evenzo, in een thermo-elektrische toepassing - waarbij een temperatuurverschil tussen twee zijden van een apparaat een elektrische stroom veroorzaakt - de veel snellere beweging van elektronen, in combinatie met sterke warmte-isolerende eigenschappen, zou een veel efficiëntere stroomproductie mogelijk maken. Dit kan nuttig zijn bij het aandrijven van satellieten door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen hun zonovergoten en schaduwzijde, zegt Tang.

Dergelijke toepassingen blijven op dit moment speculatief, Dresselhaus zegt, omdat er verder onderzoek nodig is om aanvullende eigenschappen te analyseren en uiteindelijk om monsters van het materiaal te testen. Deze eerste analyse was voornamelijk gebaseerd op theoretische modellering van de eigenschappen van de bismut-antimoonfilm.

Totdat deze analyse werd uitgevoerd, Dresselhaus zegt, "we hebben nooit aan bismut gedacht" als potentieel voor Dirac-kegeleigenschappen. Maar recente onverwachte bevindingen met betrekking tot een klasse materialen die topologische isolatoren worden genoemd, suggereerden anders:experimenten uitgevoerd door een Oekraïense medewerker suggereerden dat Dirac-kegeleigenschappen mogelijk zijn in bismut-antimoonfilms.

Hoewel het blijkt dat de dunne films van bismut-antimoon enkele eigenschappen kunnen hebben die vergelijkbaar zijn met die van grafeen, Door de omstandigheden te wijzigen, kunnen ook allerlei andere eigenschappen worden gerealiseerd. Dat opent de mogelijkheid om elektronische apparaten te ontwerpen die gemaakt zijn van hetzelfde materiaal met verschillende eigenschappen, de ene laag op de andere afgezet, in plaats van lagen van verschillende materialen.

De ongebruikelijke eigenschappen van het materiaal kunnen van de ene richting tot de andere verschillen:elektronen die in één richting bewegen, kunnen de wetten van de klassieke mechanica volgen, bijvoorbeeld, terwijl degenen die zich in een loodrechte richting bewegen, de relativistische fysica gehoorzamen. Dit zou apparaten in staat kunnen stellen om relativistische fysica op een goedkopere en eenvoudigere manier te testen dan bestaande systemen, Tang zegt, hoewel dit nog moet worden aangetoond door middel van experimenten.

"Niemand heeft nog apparaten gemaakt" van het nieuwe materiaal, Dresselhaus waarschuwt, maar voegt eraan toe dat de beginselen duidelijk zijn en dat de noodzakelijke analyse minder dan een jaar in beslag zou moeten nemen.

“Er kan van alles gebeuren, we weten het echt niet, ', zegt Dresselhaus. Dergelijke details moeten nog worden gladgestreken, ze zegt, toevoegend:"Er blijven veel mysteries over voordat we een echt apparaat hebben."

Joseph Heremans, een professor in de natuurkunde aan de Ohio State University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat hoewel sommige ongebruikelijke eigenschappen van bismut al lang bekend zijn, “Wat verrassend is, is de rijkdom van het systeem berekend door Tang en Dresselhaus. De schoonheid van deze voorspelling wordt nog versterkt door het feit dat het systeem experimenteel vrij toegankelijk is.”

Heremans voegt eraan toe dat in verder onderzoek naar de eigenschappen van het bismut-antimoonmateriaal, “Er zullen moeilijkheden zijn, en een paar zijn al bekend, ' maar hij zegt dat de eigenschappen voldoende interessant en veelbelovend zijn dat 'dit artikel een grote experimentele inspanning zou moeten stimuleren'.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.