Om te verstaan hoe elektrone beweeg in 2-D gelaagde materiaalstelsels kan lei tot vooruitgang in quantum computing en kommunikasie.
Wetenskaplikes bestudeer twee verskillende konfigurasies van dubbellaag grafeen-die tweedimensionele (2-D), atoom-dun vorm van koolstof - het elektroniese en optiese tussenlaagresonansies opgespoor. In hierdie resonante toestande bons elektrone heen en weer tussen die twee atoomvlakke in die 2-D-koppelvlak op dieselfde frekwensie. Deur hierdie toestande te karakteriseer, het hulle gevind dat die draai van een van die grafeenlae met 30 grade relatief tot die ander, in plaas daarvan om die lae direk bo-op mekaar te stapel, die resonansie na 'n laer energie verskuif.
Uit hierdie resultaat, pas gepubliseer in Physical Review Letters, het hulle afgelei dat die afstand tussen die twee lae aansienlik toegeneem het in die gedraaide konfigurasie, in vergelyking met die gestapelde een. Wanneer hierdie afstand verander, verander die tussenlaag-interaksies ook, wat beïnvloed hoe elektrone in die dubbellaagstelsel beweeg. 'n Begrip van hierdie elektronbeweging kan die ontwerp van toekomstige kwantumtegnologieë vir kragtiger rekenaars en veiliger kommunikasie help.
Personeelwetenskaplike Jurek Sadowski (links) en postdoktor Zhongwei Dai by die Quantum Material Press (QPress) fasiliteit by die Sentrum vir Funksionele Nanomateriale (CFN) by Brookhaven Nasionale Laboratorium. Die groot sirkelvormige stuk is die sentrale QPress-robot, met verskeie modules wat aan die kante geheg is vir monsteruitgloeiing, film afsetting, plasma skoonmaak, en monster biblioteke. Die volledige QPress-stelsel, wat nog ontwikkel word, sal die stapeling van 2-D-materiale in gelaagde strukture met eksotiese eienskappe vir kwantumtoepassings outomatiseer. Krediet: Brookhaven Nasionale Laboratorium
"Vandag se rekenaarskyfies is gebaseer op ons kennis van hoe elektrone in halfgeleiers beweeg, spesifiek silikon," het eerste en mede-ooreenstemmende skrywer Zhongwei Dai, 'n postdoktor in die Interface Science and Catalysis Group by die Sentrum vir Funksionele Nanomateriale (CFN) by die Amerikaanse Departement van Energie (DOE) se Brookhaven Nasionale Laboratorium. “Maar die fisiese eienskappe van silikon bereik 'n fisiese limiet in terme van hoe klein transistors gemaak kan word en hoeveel op 'n skyfie kan pas. As ons kan verstaan hoe elektrone op die klein skaal van 'n paar beweeg nanometer in die verminderde afmetings van 2-D-materiale, kan ons dalk 'n ander manier ontsluit om elektrone vir kwantuminligtingwetenskap te gebruik."
By 'n paar nanometer, of miljardstes van 'n meter, is die grootte van 'n materiaalstelsel vergelykbaar met dié van die golflengte van elektrone. Wanneer elektrone in 'n ruimte met dimensies van hul golflengte opgesluit word, verander die materiaal se elektroniese en optiese eienskappe. Hierdie kwantumbeperkingseffekte is die gevolg van kwantummeganiese golfagtige beweging eerder as klassieke meganiese beweging, waarin elektrone deur 'n materiaal beweeg en deur willekeurige defekte verstrooi word.
(Kloksgewys van links na regs) Spanlede Chang-Yong Nam, Jurek Sadowski, Zhongwei Dai, Samuel Tenney, Nikhil Tiwale en Ashwanth Subramanian buite die Sentrum vir Funksionele Nanomateriale. Krediet: Brookhaven Nasionale Laboratorium
Vir hierdie navorsing het die span 'n eenvoudige materiaalmodel - grafeen - gekies om die effekte van kwantumbeperking te ondersoek, deur twee verskillende probes toe te pas: elektrone en fotone (ligdeeltjies). Om beide elektroniese en optiese resonansies te ondersoek, het hulle 'n spesiale substraat gebruik waarop die grafeen oorgedra kon word. Mede-ooreenstemmende skrywer en CFN Interface Science and Catalysis Group wetenskaplike Jurek Sadowski het voorheen hierdie substraat vir die Quantum Material Press (QPress) ontwerp. Die QPress is 'n outomatiese instrument wat ontwikkel word in die CFN-materiaalsintese- en -karakteriseringsfasiliteit vir die sintese, verwerking en karakterisering van gelaagde 2-D-materiale. Konvensioneel, wetenskaplikes afskilfer 2-D materiaal "vlokkies" van 3-D ouer kristalle (bv. grafeen van grafiet) op 'n silikondioksied substraat 'n paar honderd nanometer dik. Hierdie substraat is egter isolerend, en dus werk elektrongebaseerde ondervragingstegnieke nie. Dus, Sadowski en CFN wetenskaplike Chang-Yong Nam en Stony Brook Universiteit gegradueerde student Ashwanth Subramanian het 'n geleidende laag titaniumoksied slegs drie nanometer dik op die silikondioksiedsubstraat neergelê.
"Hierdie laag is deursigtig genoeg vir optiese karakterisering en bepaling van die dikte van afskilferde vlokkies en gestapelde monolae terwyl dit geleidend genoeg is vir elektronmikroskopie of sinkrotron-gebaseerde spektroskopie tegnieke," het Sadowski verduidelik.
In die Charlie Johnson-groep aan die Universiteit van Pennsilvanië—Rebecca W. Bushnell Professor in Fisika en Sterrekunde Charlie Johnson, nadoktor Qicheng Zhang, en voormalige postdoktor Zhaoli Gao (nou 'n assistent-professor aan die Chinese Universiteit van Hong Kong)—het die grafeen op metaalfoelies en dit op die titaniumoksied/silikondioksiedsubstraat oorgedra. Wanneer grafeen op hierdie manier gekweek word, is al drie domeine (enkellaag, gestapel en gedraai) teenwoordig.
(a) Skematika van die eksperimentele opstelling vir elektron- en fotonverstrooiing. (b) 'n Atoommodel van die patroon wat gevorm word deur die gedraaide dubbellaag grafeen (30°-tBLG) kristalstruktuur. (c) 'n Lae-energie elektronmikroskoop beeld van 'n tipiese monster area wat 30°-tBLG, gestapelde dubbellaag grafeen (AB-BLG), en enkellaag grafeen (SLG) bevat. (d) 'n Lae-energie elektrondiffraksiepatroon op 'n 30°-tBLG area. Krediet: Brookhaven Nasionale Laboratorium
Toe het Dai en Sadowski eksperimente ontwerp en uitgevoer waarin hulle elektrone met 'n lae-energie elektronmikroskoop (LEEM) in die materiaal geskiet en die gereflekteerde elektrone opgespoor het. Hulle het ook fotone vanaf 'n lasergebaseerde optiese mikroskoop met 'n spektrometer in die materiaal afgevuur en die spektrum van lig wat teruggestrooi is, ontleed. Hierdie konfokale Raman-mikroskoop is deel van die QPress-katalogiseerder, wat saam met beeldanalise-sagteware die liggings van voorbeeldareas van belang kan bepaal.
"Die QPress Raman-mikroskoop het ons in staat gestel om die teikenmonsterarea vinnig te identifiseer, wat ons navorsing versnel het," het Dai gesê.
Hul resultate het voorgestel dat die spasiëring tussen lae in die gedraaide grafeenkonfigurasie met ongeveer ses persent toegeneem het relatief tot die nie-gedraaide konfigurasie. Berekeninge deur teoretici aan die Universiteit van New Hampshire het die unieke resonante elektroniese gedrag in die gedraaide konfigurasie geverifieer.
"Toestelle wat uit geroteerde grafeen gemaak is, kan baie interessante en onverwagte eienskappe hê as gevolg van die groter tussenlaagspasiëring waarin elektrone kan beweeg," het Sadowski gesê.
Vervolgens sal die span toestelle met die gedraaide grafeen vervaardig. Die span sal ook voortbou op aanvanklike eksperimente wat deur CFN-personeelwetenskaplike Samuel Tenney en CFN-postdoktors Calley Eads en Nikhil Tiwale uitgevoer is om te ondersoek hoe die byvoeging van verskillende materiale by die gelaagde struktuur die elektroniese en optiese eienskappe daarvan beïnvloed.
"In hierdie aanvanklike navorsing het ons die eenvoudigste 2-D materiaalstelsel gekies wat ons kan sintetiseer en beheer om te verstaan hoe elektrone optree," het Dai gesê. "Ons beplan om hierdie tipe fundamentele studies voort te sit en hopelik lig te werp op hoe om materiaal vir kwantumrekenaars en kommunikasie te manipuleer."
Hierdie navorsing is ondersteun deur die DOE Kantoor van Wetenskap en gebruik hulpbronne van die CFN en Nasionale Synchrotron Ligbron II (NSLS-II), beide DOE Kantoor van Wetenskap Gebruikersfasiliteite by Brookhaven. Die LEEM-mikroskoop is deel van die x-straal-foto-emissie-elektronmikroskopie (XPEEM)/LEEM-eindstasie van die Elektronspektro-mikroskopie-straallyn by NSLS-II; die CFN bedryf hierdie eindstasie deur 'n vennootgebruikersooreenkoms met NSLS-II. Die ander befondsingsagentskappe is die National Science Foundation, Research Grant Council of Hong Kong Special Administrative Region, en die Chinese Universiteit van Hong Kong.
Vir meer oor hierdie navorsing, lees Atoomdun, gedraaide grafeen het unieke eienskappe wat kwantumrekenaarkunde kan bevorder.
Verwysing: "Quantum-Well Bound States in Graphene Heterostructure Interfaces" deur Zhongwei Dai, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel A. Tenney, Richard M. Osgood, Chang-Yong Nam, Jiadong Zang, AT Charlie Johnson en Jerzy T. Sadowski, 20 Augustus 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.086805
