Saradnja TU/e i Katalonskog instituta za nanonauku i nanotehnologiju koja uključuje istraživače iz celog sveta ima odgovor i zašto, a rezultati su objavljeni u časopisu Science Advances.
Elektroni nose električnu energiju, dok energiju vibracija prenose fononi. Razumevanje kako oni međusobno deluju u određenim materijalima, kao u sendviču od dva sloja grafena, imaće implikacije za buduće optoelektronske uređaje.
Nedavni rad je otkrio da slojevi grafena uvrnuti jedan u odnosu na drugi pod malim „magijskim uglom“ mogu delovati kao savršeni izolator ili superprovodnik. Ali fizika elektron-fononskih interakcija je misterija. Kao deo međunarodne saradnje širom sveta, istraživač TU/e Klaas-Jan Tielrooij vodio je studiju o interakcijama elektron-fonon u slojevima grafena. I došli su do zapanjujućeg otkrića.
Šta je elektron rekao fononu između dva sloja grafena? Ovo bi moglo zvučati kao početak mema o fizici sa urnebesnim punchlineom. Ali to nije slučaj prema Klaas-Jan Tielrooiju. On je vanredni profesor na Odseku za primenjenu fiziku i naučno obrazovanje na TU/e i rukovodilac istraživanja novog rada objavljenog u Science Advances.
„Pokušali smo da razumemo kako elektroni i fononi ‘razgovaraju’ jedni sa drugima unutar dva uvrnuta sloja grafena“, kaže Tielrooij.
Elektroni su dobro poznati nosioci naelektrisanja i energije povezani sa elektricitetom, dok je fonon povezan sa pojavom vibracija između atoma u atomskom kristalu.
„Fononi ipak nisu čestice kao elektroni, oni su kvazičestice. Ipak, njihova interakcija sa elektronima u određenim materijalima i kako utiču na gubitak energije u elektronima je već neko vreme misterija“, primećuje Tielrooj.
Ali zašto bi bilo zanimljivo saznati više o interakcijama elektron-fonon? „Ove interakcije mogu imati veliki uticaj na elektronska i optoelektronska svojstva uređaja, napravljenih od materijala poput grafena, koje ćemo više videti u budućnosti.“
Tielrooij i njegovi saradnici, koji se nalaze širom sveta u Španiji, Nemačkoj, Japanu i SAD, odlučili su da proučavaju elektron-fononske interakcije u veoma posebnom slučaju – unutar dva sloja grafena gde su slojevi veoma malo neusklađeni. .
Grafen je dvodimenzionalni sloj atoma ugljenika raspoređenih u rešetku saća koja ima nekoliko impresivnih svojstava kao što su visoka električna provodljivost, visoka fleksibilnost i visoka toplotna provodljivost, a takođe je skoro providan.
Još 2018. godine, nagrada za svetski proboj godine u fizici pripala je Pablu Jariljo-Ereru i njegovim kolegama sa MIT-a za njihov pionirski rad na tvistronici, gde su susedni slojevi grafena veoma blago rotirani jedan u odnosu na drugi kako bi se promenila elektronska svojstva grafena. .
„U zavisnosti od toga kako se slojevi grafena rotiraju i dopiraju elektronima, mogući su kontrastni ishodi. Za određene dopinge, slojevi deluju kao izolator, koji sprečava kretanje elektrona. Za druge dopinge, materijal se ponaša kao supraprovodnik – materijal sa nultim otporom koji omogućava kretanje elektrona bez disipacije“, kaže Tielrooij.
Poznatiji kao uvrnuti dvoslojni grafen, ovi rezultati se javljaju pod takozvanim magičnim uglom neusklađenosti, koji je nešto više od jednog stepena rotacije. „Neusklađenost između slojeva je sićušna, ali mogućnost za supraprovodnik ili izolator je zapanjujući rezultat.“
Za svoju studiju, Tielrooij i tim su hteli da saznaju više o tome kako elektroni gube energiju u dvoslojnom grafenu uvijenom magičnim uglom, ili skraćeno MATBG.
Da bi to postigli, koristili su materijal koji se sastojao od dva lista jednoslojnog grafena (svaki debljine 0,3 nanometra), postavljenih jedan na drugi i neusklađenih jedan u odnosu na drugi za oko jedan stepen.
Zatim, koristeći dve optoelektronske tehnike merenja, istraživači su bili u mogućnosti da detaljno ispitaju interakcije elektron-fonon i napravili su neka zapanjujuća otkrića.
„Uočili smo da energija nestaje veoma brzo u MATBG-u – to se dešava na vremenskoj skali od pikosekunde, što je milioniti deo jednog milionitog dela sekunde!“ kaže Tielrooij.
Ovo zapažanje je mnogo brže nego u slučaju jednog sloja grafena, posebno na ultrahladnim temperaturama (naročito ispod -73°C). „Na ovim temperaturama, elektronima je veoma teško da izgube energiju na fonone, ali to se dešava u MATBG-u. Primetili smo da energija nestaje veoma brzo u MATBG-u – dešava se na vremenskoj skali od pikosekunde, koja je milioniti deo jedne- milioniti deo sekunde“.
Dakle, zašto elektroni tako brzo gube energiju kroz interakciju sa fononima? Pa, ispostavilo se da su istraživači otkrili potpuno novi fizički proces.
„Snažna elektron-fonon interakcija je potpuno nov fizički proces i uključuje takozvano elektron-fonon Umklapp rasejanje“, dodaje Hiroaki Ishizuka sa Tokijskog instituta za tehnologiju u Japanu, koji je razvio teorijsko razumevanje ovog procesa zajedno sa Leonidom Levitovim iz Masačusetsa. Tehnološki institut u SAD
Umklapp rasejanje između fonona je proces koji često utiče na prenos toplote u materijalima, jer omogućava da se relativno velike količine impulsa prenesu između fonona.
„Vidimo efekte fononsko-fononskog Umklapp rasipanja sve vreme jer utiče na sposobnost (nemetalnih) materijala na sobnoj temperaturi da provode toplotu. Zamislite samo izolacioni materijal na dršci lonca, na primer“, kaže Ishizuka. „Međutim, elektron-fonon Umklapp rasejanje je retko. Ovde smo po prvi put primetili kako elektroni i fononi interaguju putem Umklapp rasejanja da bi raspršili energiju elektrona. Jaka interakcija elektron-fonon je potpuno nov fizički proces i uključuje tzv. elektron-fonon Umklapp rasejanje.“
Tielrooij i saradnici su možda završili većinu posla dok je bio sa sedištem u Španiji na Katalonskom institutu za nanonauku i nanotehnologiju (ICN2), ali kako Tielrooij primećuje. „Međunarodna saradnja se pokazala ključnom za ovo otkriće.
Dakle, kako su svi saradnici doprineli istraživanju? Tielrooij kaže: „Prvo, bile su nam potrebne napredne tehnike izrade da bismo napravili MATBG uzorke. Ali takođe nam je bilo potrebno duboko teorijsko razumevanje onoga što se dešava u uzorcima. Dodatno tome, bila su potrebna ultrabrza optoelektronska merna podešavanja za merenje onoga što se dešava u uzorcima. Međunarodna saradnja se pokazala ključnom za postizanje ovog otkrića.“
Tielrooij i tim su dobili uzorke uvijene pod magičnim uglom od grupe Dmitrija Efetova na Ludvig-Makimilians-Universitat u Minhenu, koji su bili prva grupa u Evropi koja je mogla da napravi takve uzorke i koja je takođe vršila merenja fotomešanjem, dok je teorijski rad na MIT-u u SAD i na Tokijskom tehnološkom institutu u Japanu pokazali su se ključnim za uspeh istraživanja.
Na ICN2, Tielrooij i članovi njegovog tima Jake Mehev i Alekander Block koristili su najsavremeniju opremu, posebno vremenski rešenu fotonaponsku mikroskopiju da bi izvršili svoja merenja dinamike elektron-fonona u uzorcima.
Dakle, kako onda izgleda budućnost ovih materijala? Prema Tielrooiju, ne očekujte ništa prerano.
„Pošto se materijal proučava tek nekoliko godina, još uvek smo daleko od toga da vidimo da dvoslojni grafen uvijeni magijskim uglom ima uticaj na društvo.
Ali postoji mnogo toga što treba istražiti o gubitku energije u materijalu.
„Buduća otkrića mogu imati implikacije na dinamiku transporta naelektrisanja, što bi moglo imati implikacije na buduće ultrabrze optoelektronske uređaje“, kaže Tielrooij. „Konkretno, oni bi bili veoma korisni na niskim temperaturama, tako da to čini materijal pogodnim za svemirske i kvantne aplikacije.“
Istraživanje Tielrooija i međunarodnog tima je pravi proboj kada je u pitanju način na koji elektroni i fononi međusobno deluju.
Ali moraćemo da sačekamo još malo da bismo u potpunosti razumeli posledice onoga što je elektron rekao fononu u grafenskom sendviču.
