Een door de TU/e ​​en het Catalaans Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie geleide samenwerking waarbij onderzoekers van over de hele wereld betrokken zijn, heeft het antwoord, en het waarom, en de resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Elektronen dragen elektrische energie, terwijl trillingsenergie wordt gedragen door fononen. Begrijpen hoe ze met elkaar omgaan in bepaalde materialen, zoals in een sandwich van twee grafeenlagen, zal gevolgen hebben voor toekomstige opto-elektronische apparaten.

Recent onderzoek heeft aangetoond dat grafeenlagen die onder een kleine "magische hoek" ten opzichte van elkaar zijn gedraaid, kunnen fungeren als perfecte isolator of supergeleider. Maar de fysica van de elektron-fonon-interacties is een mysterie. Als onderdeel van een wereldwijde internationale samenwerking heeft TU/e-onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij een onderzoek geleid naar elektron-fonon-interacties in grafeenlagen. En ze hebben een verrassende ontdekking gedaan.

Wat zei het elektron tegen het fonon tussen twee lagen grafeen? Dit klinkt misschien als het begin van een natuurkundememe met een hilarische clou om te volgen. Maar dat is volgens Klaas-Jan Tielrooij niet het geval. Hij is universitair hoofddocent bij de afdeling Technische Natuurkunde en Wetenschapseducatie van de TU/e ​​en de onderzoeksleider van het nieuwe werk gepubliceerd in Science Advances .

"We probeerden te begrijpen hoe elektronen en fononen met elkaar 'praten' binnen twee gedraaide grafeenlagen", zegt Tielrooij.

Elektronen zijn de bekende ladings- en energiedragers die verband houden met elektriciteit, terwijl een fonon verband houdt met het ontstaan ​​van trillingen tussen atomen in een atomair kristal.

"Fononen zijn echter geen deeltjes zoals elektronen, ze zijn een quasideeltje. Toch is hun interactie met elektronen in bepaalde materialen en hoe ze het energieverlies in elektronen beïnvloeden al een tijdje een mysterie", merkt Tielrooij op.

Maar waarom zou het interessant zijn om meer te leren over elektron-fonon-interacties? "Deze interacties kunnen een groot effect hebben op de elektronische en opto-elektronische eigenschappen van apparaten, gemaakt van materialen zoals grafeen, waar we in de toekomst meer van zullen zien."

Tielrooij en zijn medewerkers, die over de hele wereld gevestigd zijn in Spanje, Duitsland, Japan en de VS, besloten om de elektron-fonon-interacties in een heel specifiek geval te bestuderen – binnen twee lagen grafeen waar de lagen enigszins verkeerd uitgelijnd zijn. .

Grafeen is een tweedimensionale laag van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster die verschillende indrukwekkende eigenschappen heeft, zoals hoge elektrische geleidbaarheid, hoge flexibiliteit en hoge thermische geleidbaarheid, en die ook bijna transparant is.

In 2018 ging de Physics World Breakthrough of the Year-prijs naar Pablo Jarillo-Herrero en collega's van MIT voor hun baanbrekende werk op het gebied van twistronics, waarbij aangrenzende lagen grafeen heel licht ten opzichte van elkaar worden geroteerd om de elektronische eigenschappen van het grafeen te veranderen. .

“Afhankelijk van hoe de lagen grafeen worden geroteerd en met elektronen worden gedoteerd, zijn contrasterende uitkomsten mogelijk. Voor bepaalde doteringen fungeren de lagen als een isolator, die de beweging van elektronen verhindert. Voor andere doping gedraagt ​​het materiaal zich als een supergeleider – een materiaal zonder weerstand dat de dissipatieloze beweging van elektronen mogelijk maakt", zegt Tielrooij.

Deze resultaten, beter bekend als gedraaid dubbellaags grafeen, vinden plaats onder de zogenaamde magische hoek van verkeerde uitlijning, die iets meer dan één graad rotatie bedraagt. "De verkeerde uitlijning tussen de lagen is klein, maar de mogelijkheid van een supergeleider of een isolator is een verbazingwekkend resultaat."

Hoe elektronen energie verliezen

Voor hun onderzoek wilden Tielrooij en het team meer te weten komen over hoe elektronen energie verliezen in magische hoek gedraaid dubbellaags grafeen, kortweg MATBG.

Om dit te bereiken gebruikten ze een materiaal dat bestond uit twee lagen monolaag grafeen (elk 0,3 nanometer dik), op elkaar geplaatst en ongeveer één graad verkeerd uitgelijnd ten opzichte van elkaar.

Vervolgens konden de onderzoekers met behulp van twee opto-elektronische meettechnieken de elektron-fonon-interacties in detail onderzoeken, en deden ze een aantal verbluffende ontdekkingen.

"We hebben waargenomen dat de energie heel snel verdwijnt in de MATBG - het gebeurt op de tijdschaal van picoseconden, wat een miljoenste van een miljoenste van een seconde is!" zegt Tielrooij.

Deze waarneming is veel sneller dan in het geval van een enkele laag grafeen, vooral bij ultrakoude temperaturen (met name onder -73°C). "Bij deze temperaturen is het erg moeilijk voor elektronen om energie te verliezen aan fononen, maar toch gebeurt het in de MATBG. We hebben waargenomen dat de energie heel snel verdwijnt in de MATBG - het gebeurt op de picoseconde-tijdschaal, wat een miljoenste is van één- miljoenste van een seconde."

Waarom elektronen energie verliezen

Waarom verliezen de elektronen de energie zo snel door interactie met de fononen? Het blijkt dat de onderzoekers een geheel nieuw fysiek proces hebben ontdekt.

"De sterke elektron-fonon-interactie is een compleet nieuw fysiek proces en omvat de zogenaamde elektron-fonon Umklapp-verstrooiing", voegt Hiroaki Ishizuka van het Tokyo Institute of Technology in Japan toe, die het theoretische begrip van dit proces samen met Leonid Levitov uit Massachusetts ontwikkelde. Instituut voor Technologie in de VS

Umklapp-verstrooiing tussen fononen is een proces dat vaak de warmteoverdracht in materialen beïnvloedt, omdat hierdoor relatief grote hoeveelheden momentum tussen fononen kunnen worden overgedragen.

"We zien voortdurend de effecten van fonon-phonon Umklapp-verstrooiing, omdat het het vermogen van (niet-metalen) materialen om bij kamertemperatuur warmte te geleiden, aantast. Denk maar aan isolatiemateriaal op het handvat van een pot", zegt Ishizuka. "Elektron-fonon Umklapp-verstrooiing is echter zeldzaam. Hier hebben we echter voor het eerst waargenomen hoe elektronen en fononen op elkaar inwerken via Umklapp-verstrooiing om elektronenenergie te dissiperen. De sterke elektron-fonon-interactie is een volledig nieuw fysiek proces en omvat zogenaamde elektron-fonon Umklapp-verstrooiing."

Uitdagingen samen opgelost

Tielrooij en zijn medewerkers hebben het grootste deel van het werk misschien voltooid terwijl hij in Spanje was gevestigd aan het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2), maar zoals Tielrooij opmerkt. "De internationale samenwerking bleek cruciaal voor het doen van deze ontdekking."

Hoe hebben alle medewerkers bijgedragen aan het onderzoek? Tielrooij:‘Ten eerste hadden we geavanceerde fabricagetechnieken nodig om de MATBG-monsters te maken. Maar we hadden ook een diepgaand theoretisch inzicht nodig van wat er in de monsters gebeurt. Bovendien waren er ultrasnelle opto-elektronische meetopstellingen nodig om te meten wat er in de monsters gebeurt. De internationale samenwerking bleek cruciaal voor het maken van deze ontdekking."

Tielrooij en het team ontvingen de met magische hoeken gedraaide monsters van de groep van Dmitri Efetov aan de Ludwig-Maximilians-Universität in München, die de eerste groep in Europa was die dergelijke monsters kon maken en die ook fotomengmetingen uitvoerde, terwijl theoretisch werk aan het MIT in de De VS en het Tokyo Institute of Technology in Japan bleken cruciaal voor het succes van het onderzoek.

Bij ICN2 gebruikten Tielrooij en zijn teamleden Jake Mehew en Alexander Block geavanceerde apparatuur, met name tijdsopgeloste fotospanningsmicroscopie, om hun metingen van de elektron-fonondynamiek in de monsters uit te voeren.

De toekomst

Hoe ziet de toekomst er dan uit voor deze materialen? Verwacht volgens Tielrooij niet te snel iets.

"Aangezien het materiaal nog maar een paar jaar wordt bestudeerd, zijn we nog ver verwijderd van het zien van een magische hoek-gedraaid dubbellaags grafeen dat een impact heeft op de samenleving."

Maar er valt nog veel te onderzoeken over energieverlies in het materiaal.

"Toekomstige ontdekkingen kunnen gevolgen hebben voor de dynamiek van het ladingstransport, wat gevolgen zou kunnen hebben voor toekomstige ultrasnelle opto-elektronische apparaten", zegt Tielrooij. “Ze zouden vooral bij lage temperaturen heel bruikbaar zijn, dus dat maakt het materiaal geschikt voor ruimte- en quantumtoepassingen.”

Het onderzoek van Tielrooij en het internationale team is een echte doorbraak als het gaat om de interactie tussen elektronen en fononen.

Maar we zullen nog wat langer moeten wachten om de gevolgen volledig te begrijpen van wat het elektron zei tegen het fonon in de grafeensandwich.

Meer informatie: Jake Dudley Mehew et al, Ultrasnelle Umklapp-ondersteunde elektron-fononkoeling in gedraaid dubbellaags grafeen met magische hoek, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door de Technische Universiteit Eindhoven