Ha mostanában olvasott a kvantumkutatásról szóló történeteket a Columbia News-ban vagy máshol, akkor valószínűleg hallotta ezt a kifejezést 2D vagy kétdimenziós anyagok.
A grafén, az ultra-erős 2D szén egyik formája, atomi szerkezetének illusztrációja.
Januárban a Columbia vegyészei publikáltak egy tanulmányt az elsőről 2D nehéz fermion, nagyon nehéz elektronokat tartalmazó anyagok osztálya. Novemberben a Mérnökiskola közzétett egy történetet a „2D-s anyag lézeres meghajtása.” Tavaly év elején pedig a kutatók szupravezetést és ferroelektromosságot is találtak ugyanabban a 2D anyagban. A lista folytatódik.
Tehát mik azok a 2D anyagok, és miért érdeklik annyira a tudósokat?
A kétdimenziós anyagok pont olyanok, amilyennek hangzanak: olyan anyagok, amelyek mindössze 1 vagy 2 atom vastagok, de minden más irányban szélesebbek. A 2D-s anyagok, amelyekkel a tudósok dolgoznak, gyakran néhány négyzetmikrométer nagyságúak – szabad szemmel láthatatlanok, de láthatóak olyan mikroszkóppal, amelyeket a középiskolai természettudományos órákon használtak. A 2D-s anyagok, amelyekkel a tudósok dolgoznak, a természetben előforduló anyagok, például a grafén, a 2004-ben a Columbiában felfedezett ultraerős szénfajta, és a laboratóriumokban szintetizált anyagok keveréke, mint például a CeSil, a tavaly Columbiában először összeállított kristály. cériumból, szilíciumból és jódból áll. Ezek az anyagok általában háromdimenziósnak indulnak, és a tudósok kétdimenziósra bontják őket, hogy kísérleteket hajtsanak végre rajtuk, és megtudják, milyen fizikai tulajdonságok, mint pl. szupravezetés or mágnesesség, akkor jelenhet meg, ha az anyagok atomlaposak. A tudósok azon dolgoznak, hogy új módszereket fejlesszenek ki, amelyekkel a semmiből 2D-s anyagokat készíthetnek anélkül, hogy le kellene őket bontani a 3D-ből, de ezek minősége még mindig nem tökéletes.
Sok dolog teszi érdekessé a 2D-s anyagokat, de az elsődleges az, hogy korlátozzák a részecskék, például az elektronok mozgását bennük. A Columbia vegyésze, Xavier Roy forgalmi hasonlattal magyarázta:
„Gondolkodjon a következőképpen: Ha lennének repülő autóink, akkor képesek lennének utazás háromdimenziós térben a New York-i forgalom nagy részét csökkenteni tudnánk. De mivel a jelenlegi autóink csak két dimenzióban tudnak közlekedni, a Times Square-en hatalmas torlódások keletkeznek” – mondta Roy egy nemrégiben adott interjúban.
„Ugyanez történik az elektronokkal, amikor 3D-ből 2D-be lépünk, de esetünkben az elektronok közötti „forgalom” előnyös! Ahogy ezek az elektron-elektron kölcsönhatások erősödnek, teljesen megváltoztathatjuk egy anyag tulajdonságait. Például, ahogy a 3D-s nehézfermion anyagok vastagsága csökken (azaz ahogy 2D-sebbé válnak), mágnesesből szupravezetővé alakulhatnak át.
A kétdimenziós anyagok is viszonylag könnyen módosíthatók: Ha enyhe szöget zár be a rétegek között, olyan erőket fejt ki, mint az elektromos mezők és a mágneses mezők, és az anyagokat csavarással vagy nyomással megfeszíti, megváltoztathatja tulajdonságaikat. Vegyünk csak egy példát: ha egyszerűen egymásra helyezünk két lapot egy wolfram-diszelenidnek nevezett anyagból, megcsavarjuk, és elektromos töltést adunk hozzá vagy eltávolítunk. áramot vezető fémről áramblokkoló szigetelőre válthat és újra vissza.
A tudósokat a 2D-s anyagok technológiai felhasználási lehetőségei is izgatják, amelyeket a tudósok gyakran „alkalmazásoknak” neveznek.
A kétdimenziós anyagok valószínűleg létfontosságú szerepet fognak játszani az elektronika következő generációjában, beleértve a még fejlesztés alatt álló kvantumszámítógépeket is. Miért? Nagyrészt azért, mert a 2D-s anyagok rendkívül kicsik, egyedi, szabályozható tulajdonságokkal (például szupravezetés), és a technológia mindig valami olyasmire vadászik, ami gyorsabban, hatékonyabban és kevesebb helyet foglal el.
Forrás: Columbia Egyetem
