Een nieuwe studie voorspelt dat onderzoekers spiraalvormige pulsen van laserlicht kunnen gebruiken om de aard van grafeen te veranderen, het veranderen van een metaal in een isolator en het andere eigenaardige eigenschappen geven die kunnen worden gebruikt om informatie te coderen.

De resultaten, gepubliceerd op 11 mei in Natuurcommunicatie , de weg vrijmaken voor experimenten die nieuwe toestanden van materie creëren en beheersen met deze gespecialiseerde vorm van licht, met mogelijke toepassingen op het gebied van informatica en andere gebieden.

"Het is alsof we een stuk klei nemen en het in goud veranderen, en als de laserpuls weggaat, gaat het goud terug naar klei, " zei Thomas Devereaux, een professor aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en directeur van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), een gezamenlijk SLAC/Stanford-instituut.

"Maar in dit geval " hij zei, "onze simulaties laten zien dat we theoretisch de elektronische eigenschappen van grafeen kunnen veranderen, het heen en weer draaien vanuit een metalen staat, waar elektronen vrij kunnen stromen, naar een isolerende staat. In digitale termen is dit als schakelen tussen nul en één, aan en uit, Ja en nee; het kan worden gebruikt om informatie in een computergeheugen te coderen, bijvoorbeeld. Wat dit cool en interessant maakt, is dat je elektronische schakelaars zou kunnen maken met licht in plaats van elektronen."

Devereaux leidde de studie met Michael Sentef, die het werk begon als postdoctoraal onderzoeker bij SLAC en nu bij het Max Planck Instituut voor de structuur en dynamiek van de materie in Duitsland werkt.

Een wonder materiaal tweaken

Grafeen is een pure vorm van koolstof van slechts één atoom dik, met zijn atomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Gevierd als wondermateriaal sinds de ontdekking 12 jaar geleden, het is flexibel, bijna transparant, een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit en een van de sterkste materialen die bekend zijn. Maar ondanks vele pogingen, wetenschappers hebben geen manier gevonden om er een halfgeleider van te maken - het materiaal in het hart van micro-elektronica.

Een eerdere studie toonde aan dat het mogelijk zou kunnen zijn om een ​​stap in die richting te zetten door een materiaal te raken met circulair gepolariseerd licht - licht dat met de klok mee of tegen de klok in spiraliseert terwijl het reist, een kwaliteit die ook kan worden omschreven als rechts- of linkshandigheid. Dit zou een "band gap, " een reeks energieën die elektronen niet kunnen innemen, dat is een van de kenmerken van een halfgeleider.

In de SIMES-studie theoretici gebruikten het National Energy Research Scientific Computing Center van de DOE in het Lawrence Berkeley National Laboratory om grootschalige simulaties uit te voeren van een experiment waarin grafeen wordt geraakt met circulair gepolariseerde pulsen van enkele miljoenste van een miljardste van een seconde.

Zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid komen

"Eerdere studies waren gebaseerd op analytische berekeningen en op geïdealiseerde situaties, zei Martin Claassen, een afgestudeerde student van Stanford in de groep van Devereaux die een belangrijke bijdrage heeft geleverd aan het onderzoek. "Deze probeerde te simuleren wat er gebeurt in zo dicht mogelijk bij echte experimentele omstandigheden als je kunt krijgen, tot aan de vorm van de laserpulsen. Door zo'n simulatie te doen, kun je zien welke soorten experimenten haalbaar zijn en regio's identificeren waar je de meest interessante veranderingen in die experimenten kunt vinden."

De simulaties laten zien dat de handigheid van het laserlicht zou interageren met een lichte handigheid in het grafeen, die niet helemaal uniform is. Deze interactie leidt tot interessante en onverwachte eigenschappen, zei SLAC-stafwetenschapper en studieco-auteur Brian Moritz. Het veroorzaakt niet alleen een bandgap, maar het induceert ook een kwantumtoestand waarin het grafeen een zogenaamd "Chern-getal" van één of nul heeft, die het gevolg is van een fenomeen dat bekend staat als Berry-kromming en een andere aan / uit-toestand biedt die wetenschappers mogelijk kunnen exploiteren.

Inzichten gaan verder dan grafeen

Hoewel deze studie niet meteen manieren opent om elektronische apparaten te maken, het geeft onderzoekers wel fundamentele inzichten die de wetenschap in die richting vooruit helpen. De resultaten zijn ook relevant voor materialen die dichalcogeniden worden genoemd (uitgesproken als dye-cal-CAW-gin-eyeds), die ook tweedimensionale vellen atomen zijn die in een honingraatstructuur zijn gerangschikt.

Dichalcogeniden zijn de focus van intensief onderzoek bij SIMES en over de hele wereld vanwege hun potentieel voor het creëren van "valleytronic"-apparaten. In valleitronica, elektronen bewegen door een tweedimensionale halfgeleider als een golf met twee energiedalen waarvan de kenmerken kunnen worden gebruikt om informatie te coderen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer lichtdetectoren, energiezuinige computerlogica en gegevensopslagchips en kwantumcomputers. Naast het werk aan grafeen, leden van het onderzoeksteam hebben ook experimenten gesimuleerd waarbij de interactie van licht met dichalcogeniden betrokken is.

"Uiteindelijk, "Moritz zei, "We proberen te begrijpen hoe interactie met licht het karakter en de eigenschappen van een materiaal kan veranderen om iets te creëren dat zowel nieuw als interessant is vanuit technologisch oogpunt."