Ако напоследък сте чели истории за квантови изследвания в Columbia News или другаде, може би сте чували термина 2D или двуизмерни материали.
Илюстрация на атомната структура на графена, форма на ултра-силен 2D въглерод.
През януари химиците от Колумбия публикуваха проучване за първия 2D тежък фермион, клас материали с много тежки електрони. През ноември Инженерното училище публикува разказ на тема „Лазерно задвижване на 2D материал.” И по-рано миналата година, изследователите откриха както свръхпроводимост, така и фероелектричество в един и същ 2D материал. Списъкът продължава.
И така, какво представляват 2D материали и защо учените са толкова заинтересовани?
Двуизмерните материали са точно това, което звучат: материали с дебелина само 1 или 2 атома, но по-широки във всяка друга посока. Често 2D материалите, с които работят учените, са големи няколко квадратни микрометра – невидими с невъоръжено око, но видими с вида микроскоп, който може да сте използвали в часовете по природни науки в гимназията. 2D материалите, с които учените работят, са смесица от естествено срещащи се материали, като графен, форма на ултра-силен въглерод, открит в Колумбия през 2004 г., и материали, синтезирани в лаборатории, като CeSil, кристал, сглобен за първи път в Колумбия миналата година, съставен от церий, силиций и йод. Тези материали обикновено започват като триизмерни и учените ги обелват до две измерения, за да проведат експерименти върху тях и да открият какви физични свойства, като свръхпроводимост or магнетизъм, може да се появи, когато материалите са атомно плоски. Учените работят върху разработването на нови начини за създаване на 2D материали от нулата, без да е необходимо да ги отделят от 3D, но качеството им все още е несъвършено.
Много неща правят 2D материалите интересни, но основното е, че те ограничават начините, по които частици като електрони могат да се движат в тях. Химикът от Колумбия Ксавие Рой използва аналогия с трафика, за да обясни:
„Помислете за това така: ако имахме летящи коли, които можеха да пътуват в триизмерно пространство, щяхме да можем да намалим по-голямата част от трафика в Ню Йорк. Но тъй като сегашните ни автомобили могат да пътуват само в две измерения, в крайна сметка имаме огромни задръствания на Таймс Скуеър“, каза Рой в скорошно интервю.
„Същото се случва с електроните, когато преминем от 3D към 2D, но в нашия случай „трафикът“ между електроните е от полза! Тъй като тези електрон-електронни взаимодействия стават по-силни, можем напълно да променим свойствата на материала. Например, тъй като дебелината на 3D тежките фермионни материали се намалява (т.е. когато стават повече 2D), те могат да преминат от магнитни към свръхпроводящи.“
Двуизмерните материали също могат да бъдат сравнително лесно променени: подреждането им с леки ъгли между слоевете, прилагането на сили като електрически полета и магнитни полета и опъването на материалите чрез усукване или прилагане на натиск върху тях може да промени свойствата им. Вземете само един пример: чрез просто подреждане на два листа от материал, наречен волфрамов диселенид един върху друг, усукването им и добавяне или премахване на електрически заряд, материалът може да премине от електропроводим метал към изолатор, блокиращ електричеството и обратно.
Учените също са развълнувани от потенциалните приложения на 2D материалите в технологиите, които учените често наричат „приложения“.
Двуизмерните материали вероятно ще играят жизненоважна роля в следващото поколение електроника, включително квантовите компютри, които все още са в процес на разработка. Защо? До голяма степен, защото 2D материалите са свръхмалки с уникални, контролируеми свойства (като свръхпроводимост), а технологията винаги търси нещо, което може да постигне резултати по-бързо, по-ефективно и използвайки по-малко пространство.
Източник: Колумбийския университет
