Paggawa ng 2D quantum na materyales gamit ang mga hubog na ibabaw

Ang mikroskopikong helix na ito, na nagpapakita ng mga kagiliw-giliw na maaaring maitaguyod na superconducting na mga katangian, ay “lumago” sa pamamagitan ng paglalapat ng mga sheet ng dalawang-dimensional na materyal sa isang substrate na bahagyang hubog ng pagsulong ng mga nanoparticle sa ilalim nito. May-akda: Larawan na ibinigay ng Song Jin Lab

Ang mga siyentipiko mula sa University of Wisconsin-Madison ay nakakita ng isang paraan upang makontrol ang paglaki ng mga baluktot na mikroskopiko na spiral ng mga materyales na iisa lamang atomo makapal

Patuloy na pag-ikot ng mga materyales na may dalawang dimensional, na itinayo ng isang koponan na pinangunahan ng propesor ng kimika ng UW-Madison na si Song Jin, lumikha ng mga bagong katangian na maaaring magamit ng mga siyentista upang pag-aralan ang dami ng pisika sa mga nanoscales. Inilathala ng mga mananaliksik ang kanilang gawa ngayon (Oktubre 23, 2020) sa isang journal Agham.

“Ito ang kasalukuyang limitasyon ng 2D na pagsasaliksik. Sa huling ilang taon, napagtanto ng mga siyentista na kapag gumawa ka ng isang maliit na pagliko sa pagitan ng mga layer ng atomic – karaniwang ilang degree – lumikha ka ng mga kagiliw-giliw na pisikal na katangian, tulad ng hindi kinaugalian na superconductivity. Halimbawa, ang baluktot na materyal ay ganap na nawawalan ng resistensya sa kuryente sa mababang temperatura, “sabi ni Gene. “Isinasaalang-alang ng mga mananaliksik ang mga 2D na kabuuan na materyales at tinawag ang naturang gawain na” twisteronics. “

Si Yuzhou Zhao, isang nagtapos na mag-aaral at unang may-akda ng pag-aaral, ay nagsabi na ang karaniwang kasanayan sa paggawa ng pag-ikot ng dalawang-dimensional na istraktura ay ang mekanikal na pagtambak ng dalawang sheet ng manipis na mga materyales sa tuktok ng bawat isa at maingat na kontrolin ang pag-ikot ng anggulo sa pagitan ng mga ito nang manu-mano. Ngunit kapag ang mga mananaliksik ay palaguin nang direkta ang mga materyales na 2D na ito, hindi nila makontrol ang pag-ikot ng anggulo dahil ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga layer ay napakahina.

“Isipin na gumagawa ka ng isang stack ng patuloy na baluktot na mga baraha. Kung mayroon kang mga dexterous na daliri, maaari mong buksan ang mga kard, ngunit ang aming gawain ay gawing kontrolin ng mga layer ng atomic ang kanilang mga sarili sa isang nanoscale, “sabi ni Gene.

Ang koponan ni Gin ay naisip kung paano makontrol ang paglago ng mga istrukturang nanoscale na ito sa pamamagitan ng pag-iisip sa labas ng patag na puwang ng Euclidean geometry.

Ang Euclidean geometry ay ang batayan ng matematika ng mundo na alam natin. Pinapayagan kaming isipin ang mundo sa mga patag na eroplano, tama at tamang mga anggulo. Sa kaibahan sa di-Euclidean na geometry, ang mga hubog na puwang ay inilarawan kung saan ang mga linya ay baluktot at ang kabuuan ng mga anggulo na parisukat ay hindi 360 degree. Ang mga teoryang pang-agham na nagpapaliwanag ng pagpapatuloy ng spatiotemporal bilang isang pangkalahatang teorya ng pagiging maaasahan ni Einstein ay gumagamit ng hindi-Euclidean geometry bilang batayan. Pag-iisip tungkol sa mga istrukturang kristal sa labas ng geometry ng Euclidean, sinabi ni Gene na magbubukas ng mga bagong nakakaintriga na posibilidad.

Sina Zhao at Jin ay lumikha ng mga baluktot na mga spiral, sinasamantala ang isang uri ng di-kasakdalan sa lumalaking mga kristal na tinatawag na helical dislocations. Pinag-aralan ni Jin ang naturang paglago ng kristal na paglago nang maraming taon at ginamit ito upang ipaliwanag, halimbawa, ang paglaki ng mga puno ng nanowire. Sa mga materyales na 2D, ang mga paglinsad ay nagbibigay ng pampalakas para sa kasunod na mga layer ng istraktura habang umiikot ito tulad ng isang paradahan, kasama ang lahat ng mga layer sa masonerya, na nakahanay sa oryentasyon ng bawat layer.

Pagkatapos, upang mapalago ang istrakturang di-Euclidean spiral at paikutin ang mga spiral, binago ng koponan ni Gina ang batayan kung saan lumaki ang kanilang mga spiral. Sa halip na palaguin ang mga kristal sa isang patag na eroplano, naglagay si Zhao ng isang nanoparticle, katulad ng isang maliit na butil ng silica, sa ilalim ng gitna ng spiral. Sa panahon ng paglaki, sinisira ng maliit na butil ang patag na ibabaw at lumilikha ng isang hubog na base para sa paglago ng 2D na kristal.

Natuklasan ng koponan na sa halip na isang nakahanay na spiral kung saan ang gilid ng bawat layer ay namamalagi kahilera sa nakaraang layer, ang 2D na kristal ay bumubuo ng isang patuloy na pag-ikot ng multilayer spiral na mahuhulaan na maiikot mula sa isang layer hanggang sa susunod. Ang anggulo ng layer ng pag-ikot ay nangyayari dahil sa hindi pagtutugma sa pagitan ng flat (Euclidean) 2D crystals at ang curved (non-Euclidean) na ibabaw kung saan sila lumalaki.

Ang Zhao ay tumutukoy sa isang pattern kung saan ang isang istrakturang spiral ay tumutubo nang direkta sa itaas ng isang nanoparticle, na lumilikha ng isang hugis-kono na base, “naayos ng isang spiral”. Kung ang istraktura ay lumalaki sa labas ng gitnang nanoparticle, tulad ng isang bahay na itinayo sa gilid ng isang bundok, ito ay isang pattern ng isang “unbuttoned spiral”. Bumuo si Zhao ng isang simpleng modelo ng matematika para sa paghula ng mga anggulo ng pag-ikot ng mga spiral batay sa geometric na hugis ng isang hubog na ibabaw, at ang mga naka-modelo na hugis na spiral ay tumutugma nang maayos sa mga lumago na istraktura.

Matapos ang paunang pagtuklas, pinag-aralan ng Propesor ng Materyal na Agham at Teknolohiya na si W. W. Madison Paul Voiles at ang kanyang mag-aaral na si Chen Zhang ang mga spiral sa ilalim ng isang electron microscope upang kumpirmahin ang pagkakahanay ng mga atomo sa mga baluktot na spiral na ito. Ipinakita ng kanilang mga imahe na ang mga atomo sa katabing baluktot na mga layer ay bumubuo ng inaasahang pattern ng pagkagambala sa overhead, na tinatawag na pattern ng moire, na nagbibigay din ng manipis na layered na sutla na damit ng sutla at mga ripples. Ang pinarangalan na Propesor ng Chemistry na si John Wright at ang kanyang lab ay nagsagawa ng paunang pagsasaliksik na nagpapahiwatig ng posibilidad ng hindi pangkaraniwang mga katangian ng optikal ng mga paikot-ikot na mga heliks.

Ang mga mananaliksik ay gumamit ng mga metal metal na dichalcogenides bilang mga layer para sa pag-ikot ng mga spiral, ngunit ang konsepto ay hindi nakasalalay sa mga tiyak na materyales hangga’t sila ay mga materyales na 2D.

“Ngayon ay maaari naming sundin ang isang nakapangangatwiran na modelo na batay sa matematika upang lumikha ng isang stack ng mga layer na 2D na may isang naaayos na anggulo ng pag-ikot sa pagitan ng bawat layer, at patuloy sila,” sabi ni Zhao.

Ang direktang pagbubuo ng mga baluktot na materyales na 2D ay magpapahintulot sa amin na mag-aral ng bagong physum na kabuuan sa mga materyal na 2D- “twistron” na ito, na sineseryoso ng pagtugis ni Gene at ng kanyang mga kasamahan.

Kapag nakita mong ang lahat ay perpektong umaangkop sa isang simpleng modelo ng matematika, at sa palagay mo, “Wow, talagang gumagana ito,” tulad ng kagalakan – iyon ang dahilan kung bakit nagtatrabaho kami sa pagsasaliksik – sa sandaling napagtanto mo na may natututunan ka pa hindi maintindihan, “sabi ni Gene.

Sanggunian: “Super-twisted spirals ng mga multilayer na materyales na ibinigay ng paglago sa mga di-Euclidean na ibabaw” Yuzhou Zhao, Chenyu Zhang, Daniel D. Kohler, Jason M. Schiller, John K. Wright, Paul M. Woiles at Sun Jin, Oktubre 23, 2020, Agham.
DOI: 10.1126 / agham.abc4284

Ang gawaing ito ay suportado ng Ministry of Energy (bigyan ang DE-FG02-09ER46664 at E-FG02-08ER46547).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

82% ng Mga Tao na Na-ospital Sa COVID-19 Bumuo ng Mga Neurological Problems

Isinasaalang-alang ang tomography ng utak. Ang mga pasyente na may mga karamdaman na nagpapahiwatig ng neurological ay kasangkot COVID-19 anim na beses na mas malamang...

“Gobsmacked” – Ang Melanie Wood ng Harvard ay Naging Unang Babae na Nanalo ng $ 1M Waterman Award sa Math

Si Melanie Wood ang unang babaeng nanalo ng isang Waterman Award sa matematika. Kredito: Stephanie Mitchell / Harvard Staff Photographer Kinikilala para sa mga...

Bagong Pagong na Natagpuan sa Huling Cretaceous ng Madagascar

Ang pagbabagong-tatag ng buhay ng Sahonachelys mailakavava, umaatake sa Madagascan na palaka tadpoles na si Belzebufo ay nagprotesta gamit ang isang espesyal na diyeta...

Natuklasan ng mga siyentista na ang loob ng Saturn – ang makapal na layer ng helium – ay nakakaapekto sa magnetic field ng mga...

Ang magnetikong patlang ni Saturn na nakikita sa itaas. Credit-Ancate Barrick / Jones Hopkins University Ginagaya ng mga mananaliksik ang mga kondisyong kinakailangan para...

Lumilikha ang mga mananaliksik ng cybersecurity ng mas mahusay na kanaryo – gamit ang AI upang lumikha ng pekeng mga dokumento

Ang bagong artipisyal na sistema ng katalinuhan ay lumilikha ng mga pekeng dokumento upang linlangin ang mga kalaban. Sa panahon ng World War II, ang...

Newsletter

Subscribe to stay updated.