Физики были прикованы к системам, состоящим из материалов толщиной всего в один или несколько слоев атомов. Когда несколько листов этих двумерных материалов складываются вместе, может образоваться геометрический узор, называемый муаровым узором. В этих так называемых муаровых системах могут возникать новые экзотические явления, в том числе сверхпроводимость и нетрадиционный магнетизм.
В результате лучшее понимание того, что происходит на границе раздела между каждым листом, вызывая эти явления, может привести к головокружительным применениям в новой электронике и многом другом.
Теперь международная группа ученых во главе с физиками из Массачусетского технологического института сообщает о новом мощном инструменте для количественной оценки и контроля ключевого параметра в системах муара. Он включает в себя приложение экстремального давления к муаровой системе при пропускании через нее света, а затем анализ эффектов с помощью рамановской спектроскопии, распространенного лабораторного метода.
Не менее важной для работы является теоретическая модель, обеспечивающая основу для понимания экспериментальных данных .
О работе сообщается в Nature Nanotechnology.
«Техника, которую мы разработали для исследования этих муаровых систем, методологически похожа на методы рентгеновской кристаллографии белков, которые позволяют биологам узнать, где находятся атомы в белке и как белок будет работать», — говорит Риккардо Комин, исследователь. Выпуск 1947 г. Развитие карьеры Ассистент профессора физики Массачусетского технологического института.
Параметр, который команда теперь может измерить, известный как потенциал муара, «скажет нам, какие физические явления могут быть реализованы в конкретном наборе двумерных материалов. Это одна из самых важных частей информации, которая нам нужна для прогнозирования» будет ли данный материал демонстрировать какую-либо экзотическую физику или нет», — продолжает Комин, который также связан с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института.
Не менее важно и то, что эта техника также позволяет команде «настраивать» или контролировать потенциал муара для потенциального достижения различных экзотических явлений.
Мэтью Янкович, доцент физики Вашингтонского университета, не участвовавший в работе, говорит: «Давление недавно стало многообещающим методом настройки свойств этих [муаровых] материалов, поскольку оно напрямую изменяет прочность материала. потенциал муара. Изучая оптические свойства полупроводникового муарового двойного слоя под давлением, группа открыла новые средства исследования эффектов муаровой сверхрешетки и управления ими. Эта работа закладывает основу для дальнейшего прогресса в нашем понимании и контроле сильно коррелированные состояния вещества, возникающие в полупроводниковых муаровых системах».
Работа, о которой сообщается в журнале Nature Nanotechnology, является результатом сотрудничества исследователей Массачусетского технологического института, Национального автономного университета Мексики (UNAM) и трех федеральных университетов Бразилии: Федерального университета штата Минас-Жерайс (UFMG), Федерального университета Ору-Прету (UFOP). и Федеральный университет Флуминенсе (UFF).
Экстремальное давление, крошечные образцы
Экспериментальная установка, разработанная командой для приложения экстремального давления к муаровому материалу, в данном случае состоящему из двух ультратонких листов дихалькогенида переходного металла, включает сжатие материала между двумя алмазными наконечниками. Размеры установки и образца невероятно малы. Например, диаметр камеры, в которой это происходит, равен ширине человеческого волоса. «И нам нужно точно поместить наш двумерный образец внутрь него, так что это немного сложно», — говорит Мартинс, руководитель работы по разработке установки.
Эти размеры необходимы для создания экстремального давления на образец, которое сродни давлению, которое Эйфелева башня будет оказывать на лист бумаги площадью один квадратный дюйм. Другая аналогия: давление примерно в 50 тысяч раз превышает давление окружающего нас воздуха.
Эксперименты и теория
Затем команда направила свет на образец и собрала испускаемый свет. «Свет оставляет некоторую энергию внутри материала, и эта энергия может быть связана с разными вещами», — сказал Мартинс. В данном случае команда сосредоточилась на энергии в виде вибраций. «Измеряя разницу между энергиями фотонов [частиц света], входящих и исходящих из материала, мы можем исследовать энергию вибраций, создаваемых в материале», — продолжает он.
Интенсивность света, исходящего от материала, связанного с этими вибрациями, в свою очередь, указывает, насколько сильно электроны в одном атомарно тонком слое взаимодействуют с электронами в другом. Чем сильнее эти взаимодействия, тем больше шансов, что произойдут экзотические явления. «Потенциал муара — это, по сути, сила этой связи между 2D-слоями», — говорит Комин.
Говорит Мартинс: «Сравнивая экспериментальное увеличение интенсивности исходящего света, связанного с этими вибрациями, с расчетами нашей теоретической модели, мы смогли получить силу потенциала муара и его эволюцию с давлением».
Теоретическая модель, разработанная Руисом-Тиериной, сама по себе очень сложна. Комин говорит: «Это сложная модель, потому что она включает в себя атомы, электроны и так называемую модель большой суперячейки. их большая коллекция. Он действительно рассматривает динамику атомов, когда они все еще взаимодействуют с электронами вокруг них».
Руиз-Тиерина заключает: «Когда эксперимент показывает то, что вы предсказали, или когда ваша модель может фактически воспроизвести то, что измеряют эксперименты, это непередаваемое чувство».