Zonder elektronica en fotonica, er zouden geen computers zijn, smartphones, sensoren, of informatie- en communicatietechnologieën. In de komende jaren, het nieuwe gebied van phononics kan deze opties verder uitbreiden. Dat veld houdt zich bezig met het begrijpen en beheersen van roostertrillingen (fonons) in vaste stoffen. Om fononische apparaten te realiseren, echter, roostertrillingen moeten zo nauwkeurig worden gecontroleerd als gewoonlijk wordt gerealiseerd in het geval van elektronen of fotonen.

Fononische kristallen

De belangrijkste bouwsteen voor zo'n apparaat is een fononisch kristal, een kunstmatig vervaardigde structuur waarin eigenschappen zoals stijfheid, massa of mechanische spanning variëren periodiek. Fononische apparaten worden gebruikt als akoestische golfgeleiders, fonon lenzen, en trillingsschermen en kunnen in de toekomst mechanische Qubits realiseren. Echter, tot nu, deze systemen werkten op vaste trillingsfrequenties. Het was niet mogelijk om hun vibratiemodi op een gecontroleerde manier te veranderen.

Periodiek gatenpatroon in grafeen

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een team van Freie Universität Berlin en HZB heeft deze controle aangetoond. Ze gebruikten grafeen, een vorm van koolstof waarin de koolstofatomen tweedimensionaal met elkaar verbonden zijn om een ​​platte honingraatstructuur te vormen. Met behulp van een gerichte bundel heliumionen, het team was in staat om een ​​periodiek patroon van gaten in het grafeen te snijden. Deze methode is beschikbaar bij CoreLab CCMS (correlatieve microscopie en spectroscopie). "We moesten het proces veel optimaliseren om een ​​regelmatig patroon van gaten in het grafeenoppervlak te maken zonder aangrenzende gaten te raken, "Dr. Katja Höflich, groepsleider bij Ferdinand-Braun-Institut Berlin en gastwetenschapper bij HZB, verklaart.

Bandgap en afstembaarheid

Jan N. Kirchhof, eerste auteur van de studie die nu is gepubliceerd in Nano-letters , berekende de trillingseigenschappen van dit fononische kristal. Zijn simulaties laten zien dat in een bepaald frequentiebereik geen trillingsmodi zijn toegestaan. Analogen van de elektronische bandstructuur in vaste stoffen, dit gebied is een mechanische bandgap. Deze band gap kan worden gebruikt om individuele modi te lokaliseren om ze af te schermen van de omgeving. Wat hier bijzonder is:"De simulatie laat zien dat we het phononic-systeem snel en selectief kunnen afstemmen, van 50 megahertz tot 217 megahertz, via toegepaste mechanische druk, geïnduceerd door een poortspanning", zegt Jan Kirchhof.

Toekomstige toepassingen

"We hopen dat onze resultaten het gebied van fononics verder zullen stimuleren. We verwachten een aantal fundamentele fysica te ontdekken en technologieën te ontwikkelen die kunnen leiden tot toepassing in bijvoorbeeld ultragevoelige fotosensoren of zelfs kwantumtechnologieën, " legt prof. Kirill Bolotin uit, hoofd van de FU-werkgroep. De eerste experimenten met de nieuwe fononische kristallen van HZB lopen al in zijn groep.