Atomen doen rare dingen als ze uit hun comfortzone worden gedwongen. Ingenieurs van Rice University hebben een nieuwe manier bedacht om ze een duwtje in de rug te geven.

Materiaaltheoreticus Boris Yakobson en zijn team aan de George R. Brown School of Engineering van Rice hebben een theorie dat het veranderen van de contouren van een laag 2D-materiaal, en dus de relaties tussen de atomen ervan, misschien eenvoudiger is dan eerder werd gedacht.

Terwijl anderen 2D-dubbellagen - twee op elkaar gestapelde lagen - van grafeen en dergelijke verdraaien om hun topologie te veranderen, suggereren de Rice-onderzoekers door middel van computermodellen dat het groeien of stampen van enkellaags 2D-materiaal op een zorgvuldig ontworpen golvend oppervlak "een ongekend niveau van controle" over hun magnetische en elektronische eigenschappen.

Ze zeggen dat de ontdekking een pad opent om effecten op vele lichamen te onderzoeken, de interacties tussen meerdere microscopisch kleine deeltjes, inclusief kwantumsystemen.

Het artikel van Yakobson en twee alumni, co-lead auteur Sunny Gupta en Henry Yu, van zijn lab verschijnt in Nature Communications .

De onderzoekers lieten zich inspireren door recente ontdekkingen dat het verdraaien of anderszins vervormen van 2D-materiaaldubbellagen zoals dubbellaags grafeen in "magische hoeken" interessante elektronische en magnetische fenomenen veroorzaakte, waaronder supergeleiding.

Hun modellen laten zien dat in plaats van te draaien, eenvoudig een 2D-materiaal zoals hexagonaal boornitride (hBN) op een hobbelig oppervlak wordt gestempeld of gekweekt, het rooster van het materiaal op natuurlijke wijze wordt belast, waardoor het pseudo-elektrische en pseudo-magnetische velden kan vormen en mogelijk rijke fysieke effecten kan vertonen. vergelijkbaar met die in gedraaide materialen.

Platte hBN is een isolator, maar de onderzoekers ontdekten dat door het persen van de atomen in hun model bandstructuren ontstonden, waardoor het in feite een halfgeleider werd.

Het voordeel van hun strategie, zei Gupta, is dat de vervorming zeer controleerbaar zou zijn door de hobbels aan het oppervlak, omdat substraten nauwkeurig van een patroon kunnen worden voorzien met behulp van elektronenstraallithografie. "Hierdoor kan men ook de elektronische toestanden en kwantumeffecten controleerbaar veranderen door substraten met verschillende topografie te ontwerpen," zei hij.

Omdat de lading kan worden gemanipuleerd om in één richting te stromen, is het pad dat het volgt een model voor 1D-systemen. Yakobson zei dat dat kan worden gebruikt om eigenschappen van 1D-kwantumsystemen te onderzoeken die niet toegankelijk zijn via gedraaid grafeen.

"Stel je een weg voor met één rijstrook, zodat de auto's maar in één richting mogen rijden", zei Gupta. "Een auto kan de voorligger niet inhalen, dus het verkeer komt pas in beweging als alle auto's samen bewegen.

"Dit is niet het geval in 2D of wanneer je meerdere rijstroken hebt, waar de auto's - of elektronen - kunnen passeren," zei hij. "Net als auto's zullen elektronen in een 1D-systeem collectief stromen en niet individueel. Dit maakt 1D-systemen speciaal met rijke, onontgonnen fysica."

Gupta zei dat het veel gemakkelijker zou zijn om een ​​hobbelig substraat te vormen met een elektronenstraal dan het momenteel is om 2D-dubbellagen van grafeen of andere heterostructuren zoals hBN tot minder dan een enkele graad van nauwkeurigheid te draaien.

"Bovendien kan men 1D-kwantumtoestanden realiseren, die doorgaans niet toegankelijk zijn door 2D-dubbellagen te verdraaien", zei hij. "Dit zal de verkenning van fysieke effecten in 1D mogelijk maken die tot nu toe grotendeels ongrijpbaar zijn gebleven." + Verder verkennen

Een eenvoudigere benadering voor het maken van kwantummaterialen