Möglicherweise haben Physiker einen neuen Sachverhalt entdeckt – durch einen Unfall

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Neue Abbildung der Phasensache

Möglicherweise haben Physiker versehentlich einen neuen Materiezustand entdeckt. Die Möglichkeiten sind endlos.

Der Mensch studiert seit Tausenden von Jahren elektrische Ladung und die Ergebnisse haben die moderne Zivilisation geprägt. Unser tägliches Leben hängt von elektrischer Beleuchtung, Smartphones, Autos und Computern ab, so wie es sich die ersten Menschen, die einen statischen Schlag oder einen Blitz bemerkten, niemals hätten vorstellen können.

Jetzt haben Physiker im Nordosten einen neuen Weg gefunden, um elektrische Ladung zu manipulieren. Und die Veränderungen in der Zukunft unserer Technologie könnten monumental sein.

„Wenn solche Phänomene entdeckt werden, ist der Vorstellungskraft die Grenze“, sagt Swastik Kar, Associate Professor für Physik. „Es könnte die Art und Weise verändern, wie wir Signale erkennen und kommunizieren können. Es könnte die Art und Weise verändern, wie wir Dinge wahrnehmen und Informationen speichern können, sowie Möglichkeiten, an die wir vielleicht noch nicht einmal gedacht haben. “

Die Fähigkeit, Elektronen zu bewegen, zu manipulieren und zu speichern, ist der Schlüssel für die überwiegende Mehrheit der modernen Technologie, unabhängig davon, ob wir versuchen, Energie aus der Sonne zu gewinnen oder Pflanzen gegen Zombies auf unserem Telefon zu spielen. In einem Artikel veröffentlicht in NanoskalaDie Forscher beschrieben einen Weg, Elektronen dazu zu bringen, etwas völlig Neues zu tun: Verteilen Sie sich gleichmäßig in ein stationäres, kristallines Muster.

“Ich bin versucht zu sagen, dass es fast wie eine neue Phase der Materie ist”, sagt Kar. “Weil es nur rein elektronisch ist.”

Das Phänomen trat auf, als die Forscher Experimente mit kristallinen Materialien durchführten, die nur wenige Atome dick sind und als 2D-Materialien bekannt sind. Diese Materialien bestehen aus einem sich wiederholenden Muster von Atomen wie ein endloses Schachbrett und sind so dünn, dass sich die Elektronen in ihnen nur in zwei Dimensionen bewegen können.

Swastik Kar und Arun Bansil

Swastik Kar, Associate Professor, und Arun Bansil, University Distinguished Professor, beide Mitglieder der Abteilung Physik, posieren am 24. Juli 2017 für ein Porträt an der Northeastern University. Das Paar hat kürzlich gemeinsam eine Arbeit verfasst, die ein ganz neues Feld in eröffnet Physik der kondensierten Materie. Foto von Matthew Modoono / Northeastern University

Das Stapeln dieser ultradünnen Materialien kann zu ungewöhnlichen Effekten führen, wenn die Schichten auf Quantenebene interagieren.

Kar und seine Kollegen untersuchten zwei solcher 2D-Materialien, Wismutselenid und ein Übergangsmetalldichalkogenid, die wie Papierblätter übereinander geschichtet waren. Dann wurde es merkwürdig.

Elektronen sollten sich gegenseitig abstoßen – sie sind negativ geladen und entfernen sich von anderen negativ geladenen Dingen. Aber genau das taten die Elektronen in diesen Schichten nicht. Sie bildeten ein stationäres Muster.

„In bestimmten Winkeln scheinen diese Materialien eine Möglichkeit zu bieten, ihre Elektronen zu teilen, die schließlich dieses geometrisch periodische dritte Gitter bilden“, sagt Kar. “Eine perfekt wiederholbare Anordnung von reinen elektronischen Pfützen, die sich zwischen den beiden Schichten befinden.”

Zuerst nahm Kar an, dass das Ergebnis ein Fehler war. Die kristallinen Strukturen von 2D-Materialien sind zu klein, um direkt beobachtet zu werden. Daher verwenden Physiker spezielle Mikroskope, die Elektronenstrahlen anstelle von Licht abfeuern. Während die Elektronen das Material passieren, interferieren sie miteinander und bilden ein Muster. Das spezifische Muster (und eine Menge Mathematik) kann verwendet werden, um die Form des 2D-Materials wiederherzustellen.

Als das resultierende Muster eine dritte Schicht enthüllte, die von keiner der beiden anderen stammen konnte, dachte Kar, dass bei der Erstellung des Materials oder beim Messprozess etwas schief gelaufen war. Ähnliche Phänomene wurden bereits beobachtet, jedoch nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Kars Beobachtungen waren bei Raumtemperatur.

“Bist du jemals auf eine Wiese gegangen und hast einen Apfelbaum gesehen, an dem Mangos hängen?” Fragt Kar. „Natürlich dachten wir, dass etwas nicht stimmt. Das konnte nicht passieren. “

Nach wiederholten Tests und Experimenten unter der Leitung des Doktoranden Zachariah Hennighausen blieben die Ergebnisse jedoch unverändert. Zwischen den 2D-Materialien erschien ein neues Gittermuster geladener Punkte. Und dieses Muster änderte sich mit der Ausrichtung der beiden Sandwichschichten.

Neuer Zustand der Materie

Illustration von Hannah Moore / Northeastern University

Während Kar und sein Team an der experimentellen Untersuchung gearbeitet hatten, untersuchten Arun Bansil, ein angesehener Professor für Physik an der Universität im Nordosten, und der Doktorand Chistopher Lane die theoretischen Möglichkeiten, um zu verstehen, wie dies geschehen könnte.

Elektronen in einem Material springen immer herum, erklärt Bansil, da sie von den positiv geladenen Atomkernen angezogen und von anderen negativ geladenen Elektronen abgestoßen werden. In diesem Fall bündelt die Art und Weise, wie diese Ladungen angeordnet sind, Elektronen in einem bestimmten Muster.

“Sie produzieren diese Regionen, in denen es, wenn Sie möchten, Gräben in der potenziellen Landschaft gibt, die ausreichen, um diese Elektronen zu zwingen, diese Ladungspfützen zu erzeugen”, sagt Bansil. “Der einzige Grund, warum sich Elektronen zu Pfützen formen, ist, dass dort ein potentielles Loch ist.”

Diese Gräben werden sozusagen durch eine Kombination von quantenmechanischen und physikalischen Faktoren erzeugt, sagt Bansil.

Wenn zwei sich wiederholende Muster oder Gitter versetzt sind, bilden sie zusammen ein neues Muster (Sie können dies zu Hause replizieren, indem Sie die Zähne zweier flacher Kämme überlappen). Jedes 2D-Material hat eine sich wiederholende Struktur, und die Forscher haben gezeigt, dass das Muster, das beim Stapeln dieser Materialien entsteht, bestimmt, wo Elektronen landen.

“Dort wird es quantenmechanisch günstig für die Pfützen”, sagt Kar. “Es führt diese Elektronenpfützen fast dazu, dort und nirgendwo anders zu bleiben. Es ist faszinierend. “

Während das Verständnis dieses Phänomens noch in den Kinderschuhen steckt, kann es die Zukunft der Elektronik, der Erfassungs- und Erkennungssysteme sowie der Informationsverarbeitung beeinflussen.

“Die Aufregung an diesem Punkt besteht darin, möglicherweise etwas demonstrieren zu können, von dem die Menschen noch nie gedacht haben, dass es bei Raumtemperatur existieren könnte”, sagt Kar. “Und jetzt ist der Himmel die Grenze, wie wir ihn nutzen können.”

Referenz: „Nachweis eines rein elektronischen zweidimensionalen Gitters an der Grenzfläche von TMD / Bi2Se3 Heterostrukturen “von Zachariah Hennighausen, Christopher Lane, Ioana Gianina Buda, Vineet K. Mathur, Arun Bansil und Swastik Kar, 1. August 2019, Nanoskala.
DOI: 10.1039 / C9NR04412D

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