6 Minute
Un nou paradigm al materialelor
O echipă de la Rutgers University–New Brunswick a raportat crearea unei clase de materiale până acum necunoscute, pe care o denumesc 'intercristale'. Aceste structuri stratificate prezintă comportamente electronice diferite de cele ale cristalelor convenționale și ale quasicristalelor și ar putea modifica abordările în electronică, dispozitive cuantice și proiectarea durabilă a materialelor. Publicat în Nature Materials, studiul arată cum modificări geometrice minime la scară atomică pot altera dramatic mișcarea electronilor și pot declanșa fenomene emergente precum supraconductivitatea și magnetismul.
Cum se fabrică intercristalele: ingineria moiré și twistronics
Echipa de la Rutgers a realizat intercristale prin suprapunerea a două foi de grafen — fiecare având un atom grosime și aranjate într-o rețea hexagonală în formă de fagure — peste un cristal de nitru de bor hexagonal (hBN). Rotind straturile de grafen cu un unghi mic față de ele și față de substratul hBN, cercetătorii au generat modele moiré: interferențe la scară mare care apar când două rețele periodice sunt decalate. Aceste supraréțele moiré, esențiale în domeniul twistronics, acționează ca un nou potențial periodic care reconfigurează modul în care electronii se propagă prin material.
Ce este twistronics?
Twistronics este o strategie de proiectare a materialelor în care proprietățile electronice sunt ajustate prin răsucirea straturilor atomice subțiri unul față de celălalt. Unghiul relativ modifică modelul moiré și, astfel, peisajul electronic efectiv. Explorată pentru prima dată de grupul de la Rutgers acum peste un deceniu, twistronics a devenit între timp o cale puternică pentru a genera faze electronice corelate, inclusiv supraconductivitate neconvențională și stări izolante, fără a schimba compoziția chimică.
Descoperiri cheie: electronii controlați de geometrie
Studiul arată că intercristalele ocupă un spațiu intermediar între cristale obișnuite și quasicristale. În timp ce cristalele au simetrie de translație repetitivă, iar quasicristalele afișează tipare ordonate dar nerepetitive, intercristalele combină elemente din ambele: ele pot prezenta aranjamente moiré nerepetitive, dar păstrează relații de simetrie care influențează semnificativ comportamentul electronic.
Deoarece benzile electronice în intercristale sunt determinate mai mult de geometrie decât de chimie, ajustările minime ale unghiului de rotație sau ale alinierii conduc la schimbări mari în conduktivitate, magnetism și tendințele spre supraconductivitate. După cum explică autoarea principală Eva Andrei, aceasta oferă cercetătorilor 'o nouă pârghie' pentru a controla fazele electronice doar prin proiectare geometrică. Coautorul Jedediah Pixley adaugă că este realist să ne imaginăm arhitecturi de dispozitive întregi în care comutarea, detectarea și rutarea semnalelor sunt guvernate de geometria la scară atomică în locul heterostructurilor materiale complexe.
Context științific și detalii experimentale
Experimentul a combinat transferul de straturi cu precizie înaltă cu tehnici de aliniere atomică pentru a asigura unghiuri de rotație controlate între foile de grafen și substratul hBN. Măsurători de transport electronic și spectroscopie au fost apoi folosite pentru a cartografia răspunsul electronilor în diferite configurații geometrice. Datele obținute au relevat structuri de bandă emergente și stări corelate care se modifică rapid la mici ajustări structurale — un semn distinctiv al comportamentului intercristalin.
De ce contează geometria
Electronii din solide ocupă benzi energetice determinate de aranjamentul atomilor. Într-un cristal regulat, constrângerile de simetrie fac aceste benzi previzibile. Introducerea unui model moiré creează efectiv un nou potențial periodic la o scară mult mai mare, modificând lățimile de bandă și intensitatea interacțiunilor. În intercristale, influența combinată a rețelelor de bază și a supraréțelei moiré conduce la frustrare geometrică și la apariția unor faze electronice noi.
Implicații: aplicații, sustenabilitate și tehnologii viitoare
Intercristalele ar putea permite electronice cu pierderi reduse și senzori compacti la scară atomică, ambele importante pentru calculul cuantic și pentru tehnologii avansate de consum. Capacitatea de a regla supraconductivitatea și ordinea magnetică prin geometrie deschide căi pentru tranzistoare energetice eficiente, componente neuromorfe și elemente cuantice pe cip care necesită mai puțini dopanți chimici sau pași de fabricație complicați.
Sustenabilitatea reprezintă un alt avantaj potențial: intercristalele pot fi asamblate din elemente abundente și non-toxice precum carbon, bor și azot, oferind o alternativă mai scalabilă față de dispozitivele care depind de materiale rare sau problematic ecologic, cum ar fi pământurile rare.
Comentariu de expert
Dr. Miriam Ortega, fiziciană a materialelor care nu a participat la studiu, comentează: 'Această lucrare demonstrează important cum ingineria moiré poate produce faze de materie cu adevărat noi. Controlul interacțiunilor electronice prin geometrie reduce dependența de abordările bazate pe chimie și ar putea simplifica arhitecturile dispozitivelor. Provocarea de acum este reproducibilitatea și integrarea acestor structuri în procese de fabricație scalabile.'
Tehnologii conexe și direcții de cercetare
Descoperirea se leagă direct de cercetările în curs în twistronics, heterostructuri van der Waals și materiale cuantice. Pașii următori includ explorarea unui interval mai larg de unghiuri de rotație și a unor opțiuni de substrat, îmbunătățirea randamentului de fabricație și investigarea stabilității dinamice și termice. Integrarea cu platforme semiconductoare existente și dezvoltarea de efecte robuste la temperatura camerei rămân obiective majore de inginerie.
Concluzie
Intercristalele introduc o nouă pârghie în proiectarea materialelor: geometria la scară atomică. Prin suprapunerea și răsucirea unor straturi atomice subțiri precum grafenul pe nitru de bor, cercetătorii pot induce supraréțele moiré care reconfigurează comportamentul electronilor și pot genera faze emergente supraconductive și magnetice. Acest control geometric promite căi către electronice eficiente energetic, dispozitive cuantice noi și sisteme de materiale mai durabile. Pe măsură ce tehnicile experimentale se îmbunătățesc și teoria avansează, intercristalele ar putea deveni blocuri fundamentale pentru tehnologiile de generație următoare.
Sursa: scitechdaily
Comentarii