_ Ce a făcut electronul „spune” fononului din sandvișul cu grafen?

O colaborare condusă de TU/e ​​și Institutul Catalan de Nanoștiință și Nanotehnologie, care implică cercetători din întreaga lume, are răspunsul și de ce și rezultatele au a fost publicat în revista Science Advances.

Electronii transportă energie electrică, în timp ce energia vibrațională este transportată de fononi. Înțelegerea modului în care interacționează între ele în anumite materiale, cum ar fi într-un sandviș de două straturi de grafen, va avea implicații pentru viitoarele dispozitive optoelectronice.

Lucrări recente au dezvăluit că straturile de grafen sunt răsucite unul față de celălalt de un mic „unghiul magic” poate acționa ca izolator perfect sau supraconductor. Dar fizica interacțiunilor electron-fonon este un mister. Ca parte a unei colaborări internaționale la nivel mondial, cercetătorul TU/e ​​Klaas-Jan Tielrooij a condus un studiu privind interacțiunile electron-fonon în straturile de grafen. Și au făcut o descoperire uluitoare.

Ce i-a spus electronul fononului dintre două straturi de grafen? Acesta ar putea suna ca începutul unei meme de fizică cu o linie hilară de urmat. Dar nu este cazul, potrivit lui Klaas-Jan Tielrooij. Este profesor asociat la Departamentul de Fizică Aplicată și Educație științifică de la TU/e ​​și conducătorul de cercetare al noii lucrări publicate în Science Advances.

„Am căutat să înțelegem cum electronii și fononii „vorbesc” cu unul pe celălalt în două straturi răsucite de grafen”, spune Tielrooij.

Electronii sunt bine-cunoscuții purtători de sarcină și energie asociați cu electricitatea, în timp ce un fonon este legat de apariția vibrațiilor între atomi dintr-un cristal atomic.

„Fononii nu sunt particule precum electronii, ci o cvasiparticulă. Cu toate acestea, interacțiunea lor cu electronii din anumite materiale și modul în care aceștia afectează pierderea de energie în electroni a fost un mister de ceva timp”, notează. Tielrooij.

Dar de ce ar fi interesant să aflăm mai multe despre interacțiunile electron-fonon? „Aceste interacțiuni pot avea un efect major asupra proprietăților electronice și optoelectronice ale dispozitivelor, fabricate din materiale precum grafenul, pe care le vom vedea mai mult în viitor.”

Tielrooij și colaboratorii săi, care sunt cu sediul în întreaga lume, în Spania, Germania, Japonia și SUA, a decis să studieze interacțiunile electron-fonon într-un caz foarte particular – în două straturi de grafen, în care straturile sunt ușor nealiniate.

Grafenul este un strat bidimensional de atomi de carbon aranjați într-o rețea de tip fagure care are câteva proprietăți impresionante, cum ar fi conductivitate electrică ridicată, flexibilitate ridicată și conductivitate termică ridicată și este, de asemenea, aproape transparent.

Înapoi. în 2018, premiul Physics World Breakthrough of the Year a revenit lui Pablo Jarillo-Herrero și colegilor de la MIT pentru munca lor de pionierat privind twistronics, în care straturile adiacente de grafen sunt rotite foarte ușor unele față de altele pentru a schimba proprietățile electronice ale grafenului.

„În funcție de modul în care straturile de grafen sunt rotite și dopate cu electroni, sunt posibile rezultate contrastante. Pentru anumite dopaje, straturile acționează ca un izolator, ceea ce împiedică mișcarea electronilor. Pentru alte dopaje, materialul se comportă ca un supraconductor — un material cu rezistență zero care permite mișcarea fără disipare a electronilor”, spune Tielrooij.

Mai cunoscut sub numele de grafen bistrat răsucit, aceste rezultate apar la -numit unghi magic de dezaliniere, care este puțin peste un grad de rotație. „Alinierea greșită dintre straturi este mică, dar posibilitatea unui supraconductor sau a unui izolator este un rezultat uluitor.”

Pentru studiul lor. , Tielrooij și echipa au dorit să afle mai multe despre modul în care electronii pierd energie în grafenul cu două straturi răsucite în unghi magic sau, pe scurt, MATBG.

Pentru a realiza acest lucru, au folosit un material format din două foi de grafen monostrat (fiecare cu o grosime de 0,3 nanometri), așezate una peste alta și nealiniate una față de cealaltă cu aproximativ un grad.

Apoi, folosind două tehnici de măsurare optoelectronică, cercetătorii au reușit să sondeze interacțiunile electron-fonon în detaliu și au făcut câteva descoperiri uluitoare.

„Am observat că energia dispare foarte repede în MATBG – apare pe scara de timp picosecunde, care este o milioneme dintr-o milioneme dintr-o secundă!” spune Tielrooij.

Această observație este mult mai rapidă decât în ​​cazul unui singur strat de grafen, mai ales la temperaturi ultrareci (în special sub -73°C). „La aceste temperaturi, este foarte dificil pentru electroni să piardă energie în fața fononilor, dar se întâmplă în MATBG. Am observat că energia dispare foarte repede în MATBG – apare pe scara de timp picosecundă, care este o milioneme din unu- milioneme de secundă."

Așadar, de ce electronii pierd energia atât de repede prin interacțiunea cu fononii? Ei bine, se pare că cercetătorii au descoperit un proces fizic complet nou.

„Interacțiunea puternică electron-fonon este un proces fizic complet nou și implică așa-numita împrăștiere electron-fonon Umklapp”, adaugă Hiroaki Ishizuka de la Institutul de Tehnologie din Tokyo din Japonia, care a dezvoltat înțelegerea teoretică a acestui proces împreună cu Leonid Levitov de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts din SUA.

Dispersia Umklapp între fononi este un proces care afectează adesea transferul de căldură în materiale, deoarece permite transferul unor cantități relativ mari de impuls între fononi.

„Vedem efectele împrăștierii fonon-fonon Umklapp tot timpul, deoarece afectează capacitatea materialelor (nemetalice) la temperatura camerei pentru a conduce căldura. Gândiți-vă doar la un material izolator pe mânerul unei oale, de exemplu", spune Ishizuka. „Cu toate acestea, împrăștierea electron-fonon Umklapp este rară. Aici, deși am observat pentru prima dată, modul în care electronii și fononii interacționează prin împrăștierea Umklapp pentru a disipa energia electronilor. Interacțiunea puternică electron-fonon este un proces fizic complet nou și implică așa-numitul împrăștierea electron-fonon Umklapp.”

Tielrooij și colaboratorii ar fi putut finaliza cea mai mare parte a lucrării în timp ce se afla în Spania la Institutul Catalan de Nanoștiință și Nanotehnologie (ICN2), dar așa cum notează Tielrooij. „Colaborarea internațională s-a dovedit esențială pentru realizarea acestei descoperiri.”

Deci, cum au contribuit toți colaboratorii la cercetare? Tielrooij spune: „În primul rând, aveam nevoie de tehnici avansate de fabricație pentru a realiza mostrele MATBG. Dar aveam nevoie și de o înțelegere teoretică profundă a ceea ce se întâmplă în eșantioane. În plus, erau necesare setări de măsurători optoelectronice ultrarapide pentru a măsura și ceea ce se întâmplă în eșantioane. . Colaborarea internațională s-a dovedit esențială pentru a face această descoperire.”

Tielrooij și echipa au primit mostrele răsucite în unghi magic de la grupul lui Dmitri Efetov de la Universitatea Ludwig-Maximilians din München, care a fost primul grup din Europa capabil să facă astfel de mostre și care a efectuat, de asemenea, măsurători de fotoamestecare, în timp ce lucrările teoretice la MIT din SUA și la Tokyo Institute of Technology din Japonia s-au dovedit cruciale pentru succesul cercetării.

La ICN2, Tielrooij și ai săi membrii echipei Jake Mehew și Alexander Block au folosit echipamente de ultimă generație, în special microscopia cu fotovoltaje rezolvată în timp pentru a efectua măsurătorile dinamicii electron-fonon în probe.

Așadar, cum arată viitorul pentru aceste materiale atunci ? Potrivit Tielrooij, nu vă așteptați la nimic prea curând.

„Întrucât materialul este studiat doar de câțiva ani, suntem încă departe de a vedea grafenul cu două straturi răsucite în unghi magic având un impact asupra societate.”

Dar sunt multe de explorat despre pierderea de energie din material.

„Descoperirile viitoare ar putea avea implicații pentru dinamica transportului de încărcare, care ar putea avea implicații pentru viitoarele dispozitive optoelectronice ultrarapide”, spune Tielrooij. „În special, ar fi foarte utile la temperaturi scăzute, astfel încât materialul este potrivit pentru aplicații spațiale și cuantice.”

Cercetarea de la Tielrooij și echipa internațională reprezintă o adevărată descoperire când vine vorba de modul în care electronii și fononii interacționează între ei.

Dar va trebui să așteptăm puțin mai mult pentru a înțelege pe deplin consecințele a ceea ce electronul i-a spus fononului din sandvișul cu grafen.

(Fluierul)