Kui olete hiljuti Columbia Newsis või mujal lugenud lugusid kvantuuringute kohta, olete võib-olla kuulnud seda terminit 2D või kahemõõtmelised materjalid.
Grafeeni, ülitugeva 2D süsiniku vormi, aatomistruktuuri illustratsioon.
Jaanuaris avaldasid Columbia keemikud uuringu esimese kohta 2D raske fermion, väga raskete elektronidega materjalide klass. Novembris avaldas Insenerikool loo teemal “2D-materjali laserjuhtimine.” Ja eelmise aasta alguses teadlased leidsid samast 2D materjalist nii ülijuhtivuse kui ka ferroelektrilisuse. Nimekiri jätkub.
Niisiis, mis on 2D materjalid ja miks on teadlased nii huvitatud?
Kahemõõtmelised materjalid on just sellised, nagu nad kõlavad: materjalid, mille paksus on vaid 1 või 2 aatomit, kuid mis on igas teises suunas laiem. Sageli on 2D materjaliteadlased, millega töötavad, mõne ruutmikromeetri suurused – palja silmaga nähtamatud, kuid nähtavad sellise mikroskoobiga, mida oleks võinud kasutada keskkooli loodusteaduste tundides. Kahemõõtmelised materjalid, millega teadlased töötavad, on segu looduslikest materjalidest, nagu grafeen, 2. aastal Columbias avastatud ülitugev süsiniku vorm, ja laborites sünteesitud materjalid, nagu CeSil, eelmisel aastal Columbias esmakordselt kokku pandud kristall. mis koosneb tseeriumist, ränist ja joodist. Need materjalid algavad tavaliselt kolmemõõtmelistena ja teadlased koorivad need kahemõõtmeliseks, et teha nendega katseid ja teada saada, millised füüsikalised omadused, nagu ülijuhtivus or magnetism, võib tekkida, kui materjalid on aatomiga lamedad. Teadlased töötavad selle nimel, et välja töötada uusi viise, kuidas 2D-materjale nullist valmistada, ilma et oleks vaja neid 3D-lt maha koorida, kuid nende kvaliteet on endiselt ebatäiuslik.
Paljud asjad muudavad 2D-materjalid huvitavaks, kuid peamine on see, et need piiravad osakeste, näiteks elektronide, nende sees liikumist. Columbia keemik Xavier Roy kasutas selgitamiseks liikluse analoogiat:
"Mõelge sellele järgmiselt: kui meil oleks lendavad autod, mis võiksid liikuda kolmemõõtmelises ruumis, suudaksime vähendada suuremat osa New Yorgi liiklusest. Kuid kuna meie praegused autod saavad sõita ainult kahemõõtmeliselt, tekivad Times Square’il tohutud ummikud,” rääkis Roy hiljutises intervjuus.
"Sama juhtub elektronidega, kui liigume 3D-lt 2D-le, kuid meie puhul on elektronidevaheline liiklus kasulik! Kui need elektron-elektron vastastikmõjud muutuvad tugevamaks, saame materjali omadusi täielikult muuta. Näiteks kui 3D raskete fermioonmaterjalide paksus väheneb (st kui need muutuvad 2D-vormingus), võivad need muutuda magnetilisuselt ülijuhtivaks.
Kahemõõtmelisi materjale saab ka suhteliselt lihtsalt kohandada: kihtide vahel väikeste nurkade all hoidmine, jõudude (nt elektri- ja magnetväljad) rakendamine ning materjalide pingutamine neid keerates või neile survet avaldades võib nende omadusi muuta. Võtke vaid üks näide: asetades lihtsalt kaks volframdiseleniidi materjali lehte üksteise peale, keerates neid ja lisades või eemaldades elektrilaengut, saab lülituda elektrit juhtivalt metallilt elektrit blokeerivale isolaatorile ja jälle tagasi.
Teadlasi erutab ka 2D-materjalide potentsiaalne kasutus tehnoloogias, mida teadlased sageli nimetavad "rakendusteks".
Kahemõõtmelised materjalid mängivad tõenäoliselt olulist rolli järgmise põlvkonna elektroonikas, sealhulgas veel väljatöötamata kvantarvutites. Miks? Suuresti seetõttu, et 2D-materjalid on üliväikesed ainulaadsete, kontrollitavate omadustega (nagu ülijuhtivus) ja tehnoloogia jahib alati midagi, mis suudaks tulemusi kiiremini, tõhusamalt ja vähem ruumi kasutades saavutada.
Allikas: Columbia University
