Mensen bestuderen al duizenden jaren elektrische lading, en de resultaten hebben de moderne beschaving gevormd. Ons dagelijks leven is afhankelijk van elektrische verlichting, smartphones, auto's, en computers, op manieren die de eerste mensen die een statische schok of een bliksemschicht opmerkten, zich nooit hadden kunnen voorstellen.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van Northeastern hebben een nieuwe manier ontdekt om elektrische lading te manipuleren. En de veranderingen in de toekomst van onze technologie kunnen enorm zijn.

"Wanneer dergelijke verschijnselen worden ontdekt, verbeelding is de limiet, " zegt Swastik Kar, een universitair hoofddocent natuurkunde. "Het zou de manier kunnen veranderen waarop we signalen kunnen detecteren en communiceren. Het zou de manier kunnen veranderen waarop we dingen kunnen waarnemen en de opslag van informatie, en mogelijkheden waar we misschien nog niet eens aan gedacht hebben."

Het vermogen om te bewegen, manipuleren, en elektronen opslaan is de sleutel tot de overgrote meerderheid van de moderne technologie, of we nu energie van de zon proberen te oogsten of Plants vs. Zombies op onze telefoon spelen. In een paper gepubliceerd in nanoschaal , de onderzoekers beschreven een manier om elektronen iets geheel nieuws te laten doen:zichzelf gelijkmatig verdelen in een stationaire, kristallijn patroon.

"Ik ben geneigd te zeggen dat het bijna een nieuwe fase van materie is, ' zegt Kar. 'Omdat het gewoon puur elektronisch is.'

Het fenomeen deed zich voor toen de onderzoekers experimenten uitvoerden met kristallijne materialen die slechts enkele atomen dik zijn, bekend als 2D-materialen. Deze materialen zijn opgebouwd uit een zich herhalend patroon van atomen, als een eindeloos schaakbord, en zijn zo dun dat de elektronen erin alleen in twee dimensies kunnen bewegen.

Het stapelen van deze ultradunne materialen kan ongebruikelijke effecten creëren omdat de lagen op kwantumniveau op elkaar inwerken.

Kar en zijn collega's onderzochten twee van dergelijke 2D-materialen, bismutselenide en een overgangsmetaal dichalcogenide, als vellen papier op elkaar gelaagd. Toen begonnen de dingen raar te worden.

Elektronen moeten elkaar afstoten - ze zijn negatief geladen, en ga weg van andere negatief geladen dingen. Maar dat is niet wat de elektronen in deze lagen aan het doen waren. Ze vormden een stationair patroon.

"Vanuit bepaalde hoeken deze materialen lijken een manier te vormen om hun elektronen te delen die uiteindelijk dit geometrisch periodieke derde rooster vormen, " zegt Kar. "Een perfect herhaalbare reeks van pure elektronische plassen die zich tussen de twee lagen bevinden."

Aanvankelijk, Kar nam aan dat het resultaat een vergissing was. De kristallijne structuren van 2D-materialen zijn te klein om direct waar te nemen, daarom gebruiken natuurkundigen speciale microscopen die elektronenbundels afvuren in plaats van licht. Terwijl de elektronen door het materiaal gaan, ze interfereren met elkaar en creëren een patroon. Het specifieke patroon (en een hoop wiskunde) kan worden gebruikt om de vorm van het 2D-materiaal na te bootsen.

Toen het resulterende patroon een derde laag onthulde die niet van een van de andere twee kon komen, Kar dacht dat er iets mis was gegaan bij het maken van het materiaal of in het meetproces. Soortgelijke verschijnselen zijn eerder waargenomen, maar alleen bij extreem lage temperaturen. Kar's waarnemingen waren bij kamertemperatuur.

'Ben je ooit een weiland ingelopen en heb je een appelboom gezien waar mango's aan hingen?' vraagt ​​Kar. "Natuurlijk dachten we dat er iets mis was. Dit kon niet gebeuren."

Maar na herhaalde testen en experimenten onder leiding van promovendus Zachariah Hennighausen, hun resultaten bleven hetzelfde. Er was een nieuw rasterpatroon van geladen vlekken tussen de 2D-materialen. En dat patroon veranderde met de oriëntatie van de twee sandwichlagen.

Terwijl Kar en zijn team aan het experimentele onderzoek werkten, Arun Bansil, een universiteitsprofessor in de natuurkunde in Northeastern, en promovendus Chistopher Lane onderzochten de theoretische mogelijkheden, om te begrijpen hoe dit kan gebeuren.

Elektronen in een materiaal stuiteren altijd rond, Bansil legt uit, omdat ze worden aangetrokken door de positief geladen kernen van atomen en worden afgestoten door andere negatief geladen elektronen. Maar in dit geval, iets aan de manier waarop deze ladingen zijn ingedeeld, is het bundelen van elektronen in een specifiek patroon.

"Ze produceren deze regio's waar er zijn, Als je dat wil, een of andere greppel in het potentiële landschap, die genoeg zijn om deze elektronen te dwingen om deze plassen van lading te creëren, " zegt Bansil. "De enige reden waarom elektronen zich in plassen zullen vormen, is omdat er een potentieel gat is."

deze sloten, bij wijze van spreken, worden gecreëerd door een combinatie van kwantummechanische en fysieke factoren, zegt Bansil.

Wanneer twee herhalende patronen of rasters zijn verschoven, ze combineren om een ​​nieuw patroon te creëren (je kunt dit thuis repliceren door de tanden van twee platte kammen te overlappen). Elk 2D-materiaal heeft een herhalende structuur, en de onderzoekers toonden aan dat het patroon dat ontstaat wanneer die materialen worden gestapeld, bepaalt waar elektronen terechtkomen.

"Dat is waar het kwantummechanisch gunstig wordt voor de plassen, "zegt Kar. "Het is bijna het begeleiden van die elektronenplassen om daar te blijven en nergens anders. Het is fascinerend."

Hoewel het begrip van dit fenomeen nog in de kinderschoenen staat, het heeft de potentie om de toekomst van elektronica te beïnvloeden, detectie- en detectiesystemen, en informatieverwerking.

"De opwinding op dit punt is dat we mogelijk iets kunnen aantonen waarvan mensen nooit hadden gedacht dat het eerder bij kamertemperatuur zou kunnen bestaan, " zegt Kar. "En nu, the sky is the limit in termen van hoe we het kunnen benutten."