Membuat Material Kuantum 2D Menggunakan Permukaan Lengkung

Spiral memutar mikroskopis ini – menampilkan superkonduktor superkonduktor merdu yang menarik – “dibudidayakan” dengan menyimpan lembaran bahan dua dimensi pada substrat yang sedikit melengkung dengan menggeser partikel nano di bawahnya. Kredit: Gambar milik Song Jin Lab

Ilmuwan di University of Wisconsin-Madison telah menemukan cara untuk mengontrol pertumbuhan spiral torsi mikroskopis bahan hanya satu. atom kotor.

Tumpukan material dua dimensi yang terus menerus dipelintir yang dibangun oleh tim yang dipimpin oleh profesor kimia UW-Madison, Song Jin, menciptakan properti baru yang dapat dimanfaatkan para ilmuwan untuk mempelajari fisika kuantum pada skala nano. Para peneliti mempublikasikan pekerjaan mereka hari ini (23 Oktober 2020) di jurnal Ilmu.

“Ini adalah garis depan penelitian materi 2D. Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah menyadari bahwa ketika lapisan kecil dibuat antara lapisan atom – biasanya beberapa derajat – sifat fisik yang sangat menarik tercipta, seperti superkonduktivitas non-konvensional. Misalnya, material yang dipelintir kehilangan hambatan listriknya sepenuhnya pada suhu rendah, “kata Jin.” Para peneliti menganggap material ini sebagai kuantum 2D, dan menyebut pekerjaan tersebut sebagai “twistronics”.

Yuzhou Zhao, seorang mahasiswa pascasarjana dan penulis pertama studi tersebut, mengatakan praktik standar untuk memutar struktur dua dimensi adalah menumpuk dua lembar bahan tipis secara mekanis di atas satu sama lain dan dengan hati-hati mengontrol sudut torsi di antara keduanya. dengan tangan. Namun ketika peneliti secara langsung menumbuhkan material 2D ini, mereka tidak dapat mengontrol sudut torsi karena interaksi antar lapisan sangat lemah.

“Bayangkan membuat tumpukan kartu remi yang terus berputar. Jika Anda memiliki jari yang gesit, Anda dapat memelintir kartunya, tetapi tantangan kami adalah bagaimana membuat lapisan atom berputar dengan cara yang dapat dikontrol hanya dari skala nano, ”kata Jin.

Tim Jin mempelajari cara mengontrol pertumbuhan struktur torsi skala nano ini dengan berpikir di luar bidang bidang geometri Euclidean.

Geometri Euclidean membentuk dasar matematika dari dunia yang dikenal. Ini memungkinkan kita untuk berpikir tentang dunia dalam bidang datar, garis lurus, dan sudut siku-siku. Sebaliknya, geometri non-Euclidean mendeskripsikan ruang-ruang lengkung di mana garis-garisnya melengkung dan jumlah sudut dalam sebuah bujursangkar bukanlah 360 derajat. Teori ilmiah yang menjelaskan kontinuitas ruang-waktu, seperti relativitas umum Einstein, menggunakan geometri non-Euclidean sebagai batuan latar. Berpikir tentang struktur kristal di luar geometri Euclidean, kata Jin, membuka kemungkinan baru yang menarik.

Zhao dan Jin menciptakan spiral rumit yang memanfaatkan jenis ketidaksempurnaan pada kristal yang tumbuh yang disebut dislokasi sekrup. Jin telah mempelajari pertumbuhan kristal yang didorong dislokasi selama bertahun-tahun dan telah menggunakannya untuk menjelaskan, misalnya, pertumbuhan pohon nanofilik. Dalam material 2D, dislokasi memberikan langkah maju untuk lapisan berikutnya dari struktur sambil berputar seperti jalur parkir dengan semua lapisan di seluruh tumpukan terhubung, menyelaraskan orientasi setiap lapisan.

Kemudian, untuk menumbuhkan struktur spiral non-Euclidean dan memutar spiral, tim Jin mengubah fondasi dari mana spiral mereka tumbuh. Alih-alih menumbuhkan kristal di permukaan datar, Zhao menempatkan partikel nano, seperti partikel silikon oksida, di bawah pusat spiral. Selama proses pertumbuhan, partikel menginterupsi permukaan datar dan menciptakan dasar melengkung untuk pertumbuhan kristal 2D.

Apa yang ditemukan tim adalah bahwa alih-alih spiral selaras di mana tepi setiap lapisan sejajar dengan lapisan sebelumnya, kristal 2D membentuk spiral multilayer yang terus berputar yang dapat diprediksi berputar dari satu lapisan ke lapisan lainnya. . Sudut torsi lapisan muncul dari ketidaksesuaian antara kristal 2D datar (Euclidean) dan permukaan melengkung (non-Euclidean) yang tumbuh di atasnya.

Zhao menyebut model di mana struktur spiral tumbuh tepat di atas partikel nano, menciptakan basis berbentuk kerucut, sebuah “spiral terlampir”. Ketika struktur tumbuh pada partikel nano yang berpusat, seperti rumah yang dibangun di sisi gunung, itu adalah pola “spiral tidak terkunci”. Zhao mengembangkan model matematika sederhana untuk memprediksi sudut torsi spiral, berdasarkan bentuk geometris permukaan lengkung, dan model bentuk spiral sesuai dengan baik dengan struktur yang dikembangkan.

Menyusul penemuan awal, profesor ilmu dan teknik material UW-Madison Paul Voyles dan muridnya Chenyu Zhang mempelajari spiral di bawah mikroskop elektron untuk memastikan kesejajaran atom-atom dalam spiral bengkok ini. Gambar mereka menunjukkan bahwa atom-atom di lapisan bengkok yang berdekatan membentuk pola interferensi yang diprediksi tumpang tindih yang disebut pola moire, yang juga memberikan kemegahan dan riaknya pada pakaian sutra halus. Profesor Emeritus kimia John Wright dan labnya telah melakukan studi pendahuluan yang menunjukkan potensi sifat optik yang tidak biasa dari spiral torsi.

Para peneliti telah menggunakan logam transisi dicalcogenides sebagai lapisan untuk spiral torsi, tetapi konsepnya tidak bergantung pada bahan tertentu, asalkan itu adalah bahan 2D.

“Sekarang kita dapat mengikuti model rasional yang berakar pada matematika untuk membuat tumpukan lapisan 2D ini dengan sudut torsi yang dapat dikontrol di antara setiap lapisan, dan keduanya terus menerus,” kata Zhao.

Sintesis langsung dari materi 2D terpelintir akan memungkinkan studi fisika kuantum baru dalam materi “twistronik” 2D ini, yang dikejar Jin dan kolaboratornya dengan sungguh-sungguh.

“Ketika Anda melihat bahwa semuanya berjalan dengan sempurna dengan model matematika sederhana dan Anda berpikir, ‘Wow, ini benar-benar berhasil,’ kegembiraan seperti itulah yang menjadi alasan kami mengerjakan penelitian – momen ‘eureka’ yang membuat Anda menyadarinya sekarang belajar sesuatu yang belum pernah dipahami orang lain sebelumnya, ”kata Jin.

Referensi: “Spiral superwoven dari bahan bertingkat yang diaktifkan pertumbuhan pada permukaan non-Euclidean” oleh Yuzhou Zhao, Chenyu Zhang, Daniel D. Kohler, Jason M. Scheeler, John C. Wright, Paul M. Voyles, dan Song Jin, 23 Oktober 2020, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abc4284

Pekerjaan ini didukung oleh Departemen Energi (konsesi DE-FG02-09ER46664 dan E-FG02-08ER46547).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

36 galaksi kerdil secara bersamaan memiliki “baby boom” bintang baru

Penemuan tak terduga Rutgers menantang teori modern tentang bagaimana galaksi tumbuh, dan dapat meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penulis: Universitas Rutgers-New Brunswick Sungguh...

Banyak pasien dengan COVID-19 menghasilkan respons imun yang menyerang jaringan dan organ mereka sendiri.

Sebuah studi yang dipimpin oleh University of Birmingham, yang didanai oleh Konsorsium Imunologi Coronavirus Inggris, menemukan bahwa banyak pasien dengan COVID-19 menimbulkan respons kekebalan...

Sains mudah dibuat: apa itu neutrino steril?

Neutrino steril adalah jenis neutrino khusus yang telah diusulkan untuk menjelaskan beberapa hasil eksperimen yang tidak terduga, tetapi belum ditemukan secara pasti. Para...

Kekeringan jangka panjang mengambil alih AS bagian barat – Tanah dan tanaman berjatuhan

5 Juni 2021 Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda sebagian besar wilayah Amerika Serikat dari Pegunungan Rocky hingga Pantai Pasifik. Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda...

Energi matahari dan angin dapat meredakan konflik di sekitar bendungan Renaisans Ethiopia di timur laut Afrika

Megaplatinum terletak di Ethiopia, dekat perbatasan dengan Sudan. Ini adalah pembangkit listrik tenaga air terbesar di Afrika. Penulis: © Google Sebuah studi baru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.