Wetenschappers van de Universiteit van Wollongong (UOW), werken met collega's aan de Chinese Beihang University, Nankai-universiteit, en Instituut voor Natuurkunde aan de Chinese Academie van Wetenschappen, hebben met succes een atomaire schaal gecreëerd, tweedimensionaal elektronisch kagome-rooster met mogelijke toepassingen in elektronica en kwantumcomputers.

Het onderzoekspaper is gepubliceerd in het novembernummer van wetenschappelijke vooruitgang .

Een Kagome-rooster is genoemd naar een traditioneel Japans geweven bamboepatroon dat bestaat uit verweven driehoeken en zeshoeken.

Het onderzoeksteam creëerde het kagome-rooster door twee nanoplaten van siliceen in lagen te leggen en te draaien. Siliceen is een op silicium gebaseerde, een atoom dik, Dirac fermion materiaal met een zeshoekige honingraatstructuur, die elektronen met bijna de lichtsnelheid kunnen passeren.

Wanneer siliceen in een kagome-rooster wordt gedraaid, echter, elektronen worden "gevangen", cirkelen rond in de zeshoeken van het rooster.

Dr. Yi Du, die de Scanning Tunneling Microscopy (STM) -groep leidt bij UOW's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM) en het Beihang-UOW Joint Research Centre, is de corresponderende auteur van het artikel.

Hij zei dat wetenschappers al lang geïnteresseerd zijn in het maken van een 2D-kagome-rooster vanwege de nuttige theoretische elektronische eigenschappen die zo'n structuur zou hebben.

"Theoretici voorspelden lang geleden dat als je elektronen in een elektronisch kagome-rooster plaatst, destructieve interferenties zouden betekenen dat de elektronen, in plaats van er doorheen te stromen, zou in plaats daarvan in een draaikolk draaien en opgesloten raken in het rooster. Het is gelijk aan iemand die verdwaalt in een doolhof en er nooit uitkomt, ' zei Dr. Du.

"Het interessante punt is dat de elektronen alleen vrij zullen zijn als het rooster gebroken is, wanneer u een rand creëert. Wanneer zich een rand vormt, elektronen zullen meebewegen zonder enige elektrische weerstand - het heeft een zeer lage weerstand, dus zeer lage energie en elektronen kunnen zeer snel bewegen, met de snelheid van het licht. Dit is van groot belang bij het ontwerpen en ontwikkelen van energiezuinige apparaten.

"In de tussentijd, met een sterk zogenaamd spin-orbitaal koppelingseffect, nieuwe kwantumverschijnselen, zoals wrijvingsquantum Hall-effect, worden verwacht bij kamertemperatuur. Dit zal de weg vrijmaken voor kwantumapparaten in de toekomst."

Hoewel de theoretische eigenschappen van een elektronisch kagome-rooster het van groot belang maakten voor wetenschappers, het maken van een dergelijk materiaal is een grote uitdaging gebleken.

"Om het te laten werken zoals voorspeld, je moet ervoor zorgen dat het rooster constant is, en dat de lengtes van het rooster vergelijkbaar zijn met de golflengten van het elektron, die veel materialen uitsluit, ' zei Dr. Du.

"Het moet een soort materiaal zijn waarop het elektron alleen aan de oppervlakte kan bewegen. En je moet iets vinden dat geleidend is, en heeft ook een zeer sterk spin-orbitaal koppelingseffect.

"Er zijn niet veel elementen in de wereld die deze eigenschappen hebben."

Een element dat dat wel doet, is siliceen. Dr. Du en zijn collega's creëerden hun 2D elektronische kagome-rooster door twee lagen siliceen in elkaar te draaien. Bij een rotatiehoek van 21,8 graden vormden ze een kagome-rooster.

En toen de onderzoekers er elektronen in stopten, het gedroeg zich zoals voorspeld.

"We hebben alle kwantumverschijnselen waargenomen die theoretisch zijn voorspeld in ons kunstmatige kagome-rooster in siliceen, ' zei Dr. Du.

De verwachte voordelen van deze doorbraak zijn veel energiezuinigere elektronische apparaten en snellere, krachtigere computers.