Gelaagde van der Waals-materialen zijn van groot belang voor elektronische en fotonische toepassingen, volgens onderzoekers van Penn State en SLAC National Accelerator Laboratory, in Californië, die nieuwe inzichten verschaffen in de interacties van gelaagde materialen met laser- en elektronenstralen.

Tweedimensionale van der Waals-materialen zijn samengesteld uit sterk gebonden lagen van moleculen met een zwakke binding tussen de lagen.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van ultrasnelle pulsen van laserlicht die de atomen opwinden in een materiaalrooster van galliumtelluride, gevolgd door het blootstellen van het rooster aan een ultrasnelle puls van een elektronenstraal. Dit toont de roostertrillingen in realtime met behulp van elektronendiffractie en zou kunnen leiden tot een beter begrip van deze materialen.

"Dit is een vrij unieke techniek, " zei Shengxi Huang, assistent-professor elektrotechniek en corresponderend auteur van een paper in ACS Nano waarin hun werk wordt beschreven. "Het doel is om de roostertrillingen volledig te begrijpen, inclusief in-plan en out-of-plan."

Een van de interessante observaties in hun werk is het overtreden van een wet die van toepassing is op alle materiële systemen. De wet van Friedel stelt dat in het diffractiepatroon, de paren centrosymmetrische Bragg-pieken moeten symmetrisch zijn, direct gevolg van Fouriertransformatie. In dit geval, echter, de paren Bragg-pieken vertonen tegengestelde oscillerende patronen. Ze noemen dit fenomeen het dynamisch breken van de wet van Friedel. Het is een zeer zeldzame, zo niet ongekende waarneming in de interacties tussen de bundels en deze materialen.

'Waarom zien we dat de wet van Friedel wordt overtreden?' ze zei. "Het komt door de roosterstructuur van dit materiaal. In gelaagde 2D-materialen, de atomen in elke laag zijn typisch zeer goed uitgelijnd in de verticale richting. In galliumtelluride, de atomaire uitlijning is een beetje uit."

Wanneer de laserstraal op het materiaal schijnt, de verwarming genereert de longitudinale akoestische fononmodus van de laagste orde, wat zorgt voor een wiebeleffect voor het rooster. Dit kan invloed hebben op de manier waarop elektronen in het rooster buigen, wat leidde tot de unieke dynamische overtreding van de wet van Friedel.

Deze techniek is ook nuttig voor het bestuderen van faseovergangsmaterialen, die warmte absorberen of uitstralen tijdens faseverandering. Dergelijke materialen kunnen het elektrocalorische effect genereren in koelkasten in vaste toestand. Deze techniek zal ook interessant zijn voor mensen die vreemd gestructureerde kristallen bestuderen en de algemene gemeenschap van 2D-materialen.