Ja pēdējā laikā esat lasījis stāstus par kvantu izpēti Columbia News vai citur, iespējams, esat dzirdējis šo terminu 2D vai divdimensiju materiāli.
Grafēna atomu struktūras ilustrācija, īpaši spēcīga 2D oglekļa forma.
Janvārī Kolumbijas ķīmiķi publicēja pētījumu par pirmo 2D smagais fermions, materiālu klase ar ļoti smagiem elektroniem. Novembrī Inženieru skola publicēja stāstu par “2D materiāla vadīšana ar lāzeru”. Un pagājušā gada sākumā, pētnieki atklāja gan supravadītspēju, gan feroelektriskumu vienā un tajā pašā 2D materiālā. Saraksts turpinās.
Tātad, kas ir 2D materiāli un kāpēc zinātnieki ir tik ieinteresēti?
Divdimensiju materiāli ir tieši tādi, kā tie izklausās: materiāli, kas ir tikai 1 vai 2 atomus biezi, bet platāki visos citos virzienos. Bieži vien 2D materiālu zinātnieki, ar kuriem strādā, ir dažus kvadrātmikrometrus lieli — tie ir neredzami ar neapbruņotu aci, bet redzami ar tādu mikroskopu, kādu jūs, iespējams, izmantojāt vidusskolas dabaszinību stundās. 2D materiāli, ar kuriem strādā zinātnieki, ir dabā sastopamu materiālu, piemēram, grafēna, īpaši spēcīga oglekļa forma, kas atklāta Kolumbijā 2004. gadā, un materiālu, kas sintezēti laboratorijās, piemēram, CeSil, kristāls, kas pirmo reizi samontēts Kolumbijā pagājušajā gadā, sajaukums. sastāv no cērija, silīcija un joda. Šie materiāli parasti sākas kā trīsdimensiju, un zinātnieki tos sadala divās dimensijās, lai ar tiem veiktu eksperimentus un noskaidrotu, kādas fizikālās īpašības, piemēram, supravadītspēja or magnētisms, var parādīties, ja materiāli ir plakani. Zinātnieki strādā, lai izstrādātu jaunus veidus, kā no jauna izgatavot 2D materiālus, tos nelobot no 3D, taču to kvalitāte joprojām ir nepilnīga.
Daudzas lietas padara 2D materiālus interesantus, bet galvenais ir tas, ka tie ierobežo veidus, kā daļiņas, piemēram, elektroni, var tajos pārvietoties. Kolumbijas ķīmiķis Ksavjers Rojs izskaidrošanai izmantoja satiksmes analoģiju:
"Padomājiet par to šādi: ja mums būtu lidojošas automašīnas, kas varētu pārvietoties trīsdimensiju telpā, mēs varētu samazināt lielāko daļu satiksmes Ņujorkā. Bet, tā kā mūsu pašreizējās automašīnas var pārvietoties tikai divās dimensijās, Taimskvērā veidojas milzīgi sastrēgumi,” nesenā intervijā sacīja Rojs.
“Tas pats notiek ar elektroniem, kad mēs pārejam no 3D uz 2D, bet mūsu gadījumā “satiksme” starp elektroniem ir izdevīga! Tā kā šī elektronu-elektronu mijiedarbība kļūst spēcīgāka, mēs varam pilnībā mainīt materiāla īpašības. Piemēram, samazinoties 3D smago fermiona materiālu biezumam (ti, tiem kļūstot 2D), tie var pāriet no magnētiskiem uz supravadošiem.
Divdimensiju materiālus var arī salīdzinoši viegli pielāgot: tos saliekot ar nelielu leņķi starp slāņiem, pieliekot spēkus, piemēram, elektriskos laukus un magnētiskos laukus, un sasprindzinot materiālus, tos pagriežot vai izdarot spiedienu, var mainīties to īpašības. Ņemiet tikai vienu piemēru: vienkārši sakraujot divas materiāla, ko sauc par volframa diselenīdu, loksnes vienu virs otras, pagriežot tās un pievienojot vai noņemot elektrisko lādiņu, materiāls var pārslēgties no elektrību vadoša metāla uz elektrību bloķējošu izolatoru un atkal atpakaļ.
Zinātniekus sajūsmina arī 2D materiālu potenciālais lietojums tehnoloģijā, ko zinātnieki bieži dēvē par "pielietojumiem".
Divdimensiju materiāliem, iespējams, būs būtiska nozīme nākamās paaudzes elektronikā, tostarp kvantu datoros, kas vēl nav izstrādāti. Kāpēc? Lielā mērā tāpēc, ka 2D materiāli ir īpaši mazi ar unikālām, kontrolējamām īpašībām (piemēram, supravadītspēja), un tehnoloģija vienmēr meklē kaut ko tādu, kas var sasniegt rezultātus ātrāk, efektīvāk un izmantojot mazāk vietas.
Avots: Kolumbijas universitāte
