Jika anda telah membaca sebarang cerita tentang penyelidikan kuantum kebelakangan ini, di Columbia News atau di tempat lain, anda mungkin pernah mendengar istilah Bahan 2D atau dua dimensi.
Ilustrasi struktur atom graphene, satu bentuk karbon 2D ultra-kuat.
Pada bulan Januari, ahli kimia Columbia menerbitkan kajian tentang yang pertama Fermion berat 2D, kelas bahan dengan elektron yang sangat berat. Pada bulan November, sekolah Kejuruteraan menerbitkan cerita mengenai “Memandu Laser Bahan 2D.” Dan awal tahun lepas, penyelidik mendapati kedua-dua superkonduktiviti dan ferroelektrik dalam bahan 2D yang sama. Senarai itu diteruskan.
Jadi, apakah bahan 2D dan mengapa saintis begitu berminat?
Bahan dua dimensi adalah seperti bunyinya: Bahan yang tebalnya hanya 1 atau 2 atom tetapi lebih lebar dalam setiap arah lain. Selalunya bahan 2D yang digunakan oleh saintis ialah beberapa mikrometer persegi yang besar– tidak dapat dilihat dengan mata kasar, tetapi boleh dilihat dengan jenis mikroskop yang mungkin anda gunakan dalam kelas sains sekolah menengah. Bahan 2D yang sedang diusahakan oleh saintis ialah campuran bahan semula jadi, seperti graphene, sejenis karbon ultra-kuat yang ditemui di Columbia pada tahun 2004, dan bahan yang disintesis dalam makmal, seperti CeSil, kristal yang pertama kali dipasang di Columbia tahun lepas, terdiri daripada serium, silikon, dan iodin. Bahan ini biasanya bermula sebagai tiga dimensi, dan saintis mengupasnya kepada dua dimensi untuk menjalankan eksperimen ke atasnya dan mengetahui sifat fizikal, seperti superkonduktiviti or kemagnetan, mungkin muncul apabila bahan-bahan adalah rata atom. Para saintis sedang berusaha membangunkan cara baharu untuk membuat bahan 2D dari awal, tanpa perlu mengupasnya daripada 3D, tetapi kualiti bahan ini masih tidak sempurna.
Banyak perkara menjadikan bahan 2D menarik tetapi yang utama ialah ia mengehadkan cara zarah seperti elektron boleh bergerak di dalamnya. Ahli Kimia Columbia Xavier Roy menggunakan analogi lalu lintas untuk menerangkan:
"Fikirkan seperti ini: Jika kita mempunyai kereta terbang yang boleh bergerak dalam ruang tiga dimensi, kita akan dapat mengurangkan kebanyakan lalu lintas di New York. Tetapi memandangkan kereta semasa kami hanya boleh bergerak dalam dua dimensi, kami akhirnya mengalami kesesakan lalu lintas yang besar di Times Square,” kata Roy dalam satu temu bual baru-baru ini.
“Perkara yang sama berlaku untuk elektron apabila kita bergerak dari 3D ke 2D, tetapi dalam kes kita, 'trafik' antara elektron adalah bermanfaat! Apabila interaksi elektron-elektron ini menjadi lebih kuat, kita boleh mengubah sepenuhnya sifat sesuatu bahan. Sebagai contoh, apabila ketebalan bahan fermion berat 3D dikurangkan (iaitu apabila ia menjadi lebih 2D), ia boleh beralih daripada menjadi magnet kepada superkonduktor.”
Bahan dua dimensi juga boleh diubah suai dengan agak mudah: Menyusunnya dengan sedikit sudut antara lapisan, mengenakan daya seperti medan elektrik dan medan magnet, dan meneran bahan dengan memutar atau mengenakan tekanan padanya boleh mengubah sifatnya. Ambil hanya satu contoh: Dengan hanya menyusun dua helai bahan yang dipanggil tungsten diselenide di atas satu sama lain, memutarkannya dan menambah atau mengeluarkan cas elektrik, bahan itu boleh bertukar daripada logam pengalir elektrik kepada penebat penghalang elektrik dan kembali lagi.
Para saintis juga teruja dengan potensi penggunaan bahan 2D dalam teknologi, yang sering disebut oleh saintis sebagai "aplikasi."
Bahan dua dimensi berkemungkinan akan memainkan peranan penting dalam generasi elektronik akan datang, termasuk komputer kuantum yang masih dalam pembangunan. kenapa? Sebahagian besarnya, kerana bahan 2D adalah sangat kecil dengan sifat unik dan boleh dikawal (seperti superkonduktiviti), dan teknologi sentiasa memburu sesuatu yang boleh mencapai hasil dengan lebih cepat, lebih cekap dan menggunakan ruang yang lebih sedikit.
sumber: Universiti Columbia
