Rutgers University-New Brunswick Badacze odkryli nową klasę materiałów-o nazwie Intercrystals-z unikalnymi nieruchomościami elektronicznymi, które mogłyby zasilać przyszłe technologie.
Naukowcy twierdzą, że interkryształy wykazują nowo odkryte formy właściwości elektronicznych, które mogłyby utorować drogę postępów w bardziej wydajnych komponentach elektronicznych, obliczeniach kwantowych i materiałach przyjaznych dla środowiska.
Jak opisano w raporcie w Science Journal Nature Materials, naukowcy układali dwie ultracienne warstwy grafenu, każda z arkusza atomów węgla o grubości jednego atomu ułożonego w sześciokątnej siatce. Lekko pokręcili je na warstwie sześciokątnego azotku boru, sześciokątnego kryształu wykonanego z boru i azotu. Subtelne niewspółosiowość między warstwami, które utworzyły wzory moiré – wzorce podobne do tych widocznych, gdy nałożone są dwa ekrany o drobnych siatkach – znacząco zmieniło sposób, w jaki elektrony poruszały się przez materiał.
„Nasze odkrycie otwiera nową ścieżkę projektowania materialnego” – powiedziała Eva Andrei, profesor gubernatorów na Wydziale Fizyki i Astronomii w Rutgers School of Arts and Sciences oraz główny autor badania. „Interkryształy dają nam nowy uchwyt do kontrolowania zachowania elektronicznego za pomocą samej geometrii, bez konieczności zmiany składu chemicznego materiału”.
Zrozumienie i kontrolując unikalne właściwości elektronów w interkryształach, naukowcy mogą je wykorzystać do opracowania technologii, takich jak bardziej wydajne tranzystory i czujniki, które wcześniej wymagały bardziej złożonej mieszanki materiałów i przetwarzania, twierdzą naukowcy.
„Możesz sobie wyobrazić zaprojektowanie całego obwodu elektronicznego, w którym każda funkcja-przełączanie, wykrywanie, propagacja sygnału-jest kontrolowana przez dostrajanie geometrii na poziomie atomowym”-powiedział Jedediah Pixley, profesor fizyki i współautor badania. „Interkryształy mogą być elementami składowymi takich przyszłych technologii.
„Odkrycie opiera się na rosnącej technice nowoczesnej fizyki zwanej„ Twizronics ”, w której warstwy materiałów są wykrzywiane pod określonymi kątami, aby stworzyć wzory moiré. Te konfiguracje znacznie zmieniają zachowanie elektronów w substancji, prowadząc do właściwości, które nie są znalezione w regularnych kryształach.
Podstawowy pomysł został po raz pierwszy wykazany przez Andrei i jej zespół w 2009 roku, kiedy wykazali, że wzory moiré w skręconym grafenie dramatycznie przekształcają strukturę elektroniczną. To odkrycie pomogło zaszczepić dziedzinę Twiistronics.
Elektrony to małe cząstki, które poruszają się w materiałach i są odpowiedzialne za prowadzenie energii elektrycznej. W regularnych kryształach, które mają powtarzający się wzór atomów tworzących idealnie ułożoną siatkę, sposób poruszania się elektronów jest dobrze zrozumiany i przewidywalny. Jeśli kryształ jest obracany lub przesunięty pod pewnymi kątami lub odległościami, wygląda tak samo z powodu wewnętrznej cechy znanej jako symetria.
Naukowcy odkryli, że elektroniczne właściwości międzykryształów mogą jednak znacznie się różnić w zależności od niewielkich zmian w ich strukturze. Ta zmienność może prowadzić do nowych i nietypowych zachowań, takich jak nadprzewodnictwo i magnetyzm, które zwykle nie można znaleźć w zwykłych kryształach. Materiały nadprzewodnicze oferują obietnicę ciągłego przepływu prądu elektrycznego, ponieważ prowadzą energię elektryczną z zerową opornością.
Naukowcy twierdzą, że interkryształy mogą być częścią nowego obwodu elektroniki niskiej straty i czujników atomowych, które mogą odgrywać rolę w tworzeniu komputerów kwantowych i nowych form technologii konsumenckich.
Materiały oferują również perspektywę funkcjonowania jako podstawa bardziej przyjaznych dla środowiska technologii elektronicznych.
„Ponieważ struktury te można wykonać z obfitych, nietoksycznych elementów, takich jak węgiel, bor i azot, a nie elementy ziem rzadkich, oferują również bardziej zrównoważoną i skalowalną ścieżkę dla przyszłych technologii”-powiedział Andrei.
Interkryształy nie różnią się jedynie od konwencjonalnych kryształów. Różnią się również od quasicryształów, specjalny rodzaj kryształu odkryty w 1982 r. Z uporządkowaną strukturą, ale bez powtarzającego się wzoru występującego w zwykłych kryształach.
Członkowie zespołu badawczego nazwali swoje odkrycie „interkryształami”, ponieważ są mieszanką między kryształami i quasicryształami: mają nie powtórne wzorce, takie jak quasicryształy, ale dzielą symetry wspólne dla zwykłych kryształów.
„Odkrycie quasicryształów w latach 80. zakwestionowało stare zasady dotyczące porządku atomowego” – powiedział Andrei. „Dzięki interkryształom idziemy o krok dalej, pokazując, że materiały można zaprojektować w celu uzyskania dostępu do nowych faz materii poprzez wykorzystanie geometrycznej frustracji na najmniejszej skali”.
Badacze Rutgers są optymistami co do przyszłych zastosowań interkryształów, otwierając nowe możliwości badania i manipulowania właściwościami materiałów na poziomie atomowym.
„To dopiero początek” – powiedział Pixley. „Jesteśmy podekscytowani, widząc, dokąd poprowadzi nas to odkrycie i jak wpłynie to na technologię i naukę w nadchodzących latach”.
Inni badacze Rutgers, którzy przyczynili się do badania, to współpracownicy badawcy Xinyuan Lai, Guohong Li i Angela Coe z Departamentu Fizyki i Astronomii.
Naukowcy z National Institute for Materials Science w Japonii również przyczynili się do badania.