Hvis du har lest noen historier om kvanteforskning i det siste, i Columbia News eller andre steder, har du kanskje hørt begrepet 2D eller todimensjonale materialer.
En illustrasjon av atomstrukturen til grafen, en form for ultrasterkt 2D-karbon.
I januar publiserte Columbia-kjemikere en studie om den første 2D tung fermion, en klasse av materiale med veldig tunge elektroner. I november publiserte Ingeniørskolen en historie om "Laserkjøring av et 2D-materiale." Og tidligere i fjor, forskere fant både superledning og ferroelektrisitet i det samme 2D-materialet. Listen fortsetter.
Så, hva er 2D-materialer og hvorfor er forskere så interessert?
Todimensjonale materialer er akkurat hva de høres ut som: Materialer som er bare 1 eller 2 atomer tykke, men bredere i alle andre retninger. Ofte er 2D-materialene forskerne jobber med noen få kvadratmikrometer store – usynlige for det blotte øye, men synlige med den typen mikroskop du kanskje har brukt i naturfag på videregående skoler. 2D-materialene som forskerne jobber med er en blanding av naturlig forekommende materialer, som grafen, en form for ultrasterkt karbon oppdaget i Columbia i 2004, og materialer syntetisert i laboratorier, som CeSil, en krystall som først ble satt sammen i Columbia i fjor, består av cerium, silisium og jod. Disse materialene begynner vanligvis som tredimensjonale, og forskere skreller dem ned til to dimensjoner for å utføre eksperimenter på dem og finne ut hvilke fysiske egenskaper, som superledning or magnetisme, kan dukke opp når materialene er atomflate. Forskere jobber med å utvikle nye måter å lage 2D-materialer på fra bunnen av, uten å måtte skrelle dem ned fra 3D, men kvaliteten på disse er fortsatt ufullkommen.
Mange ting gjør 2D-materialer interessante, men en primær er at de begrenser måtene partikler som elektroner kan bevege seg inne i dem. Columbia-kjemiker Xavier Roy brukte en trafikkanalogi for å forklare:
"Tenk på det slik: Hvis vi hadde flygende biler som kunne reise i tredimensjonalt rom, ville vi kunne redusere mesteparten av trafikken i New York. Men siden våre nåværende biler bare kan reise i to-dimensjoner, ender vi opp med enorme trafikkork på Times Square, sa Roy i et nylig intervju.
«Det samme skjer for elektroner når vi beveger oss fra 3D til 2D, men i vårt tilfelle er 'trafikk' mellom elektroner fordelaktig! Når disse elektron-elektron-interaksjonene blir sterkere, kan vi fullstendig endre egenskapene til et materiale. For eksempel, ettersom tykkelsen på 3D tunge fermionmaterialer reduseres (dvs. når de blir mer 2D), kan de gå over fra å være magnetiske til superledende.
Todimensjonale materialer kan også relativt enkelt justeres: Å stable dem med små vinkler mellom lagene, påføre krefter som elektriske felt og magnetiske felt, og belaste materialene ved å vri eller påføre trykk på dem kan endre egenskapene deres. Ta bare ett eksempel: Ved ganske enkelt å stable to ark av et materiale kalt wolframdiselenid oppå hverandre, vri dem og legge til eller fjerne elektrisk ladning, vil materialet kan bytte fra et elektrisitetsledende metall til en elektrisitetsblokkerende isolator og tilbake igjen.
Forskere er også begeistret over 2D-materialers potensielle bruk i teknologi, som forskere ofte refererer til som "applikasjoner."
Todimensjonale materialer vil sannsynligvis spille en viktig rolle i neste generasjon elektronikk, inkludert kvantedatamaskiner som fortsatt er under utvikling. Hvorfor? I stor grad fordi 2D-materialer er ultrasmå med unike, kontrollerbare egenskaper (som superledning), og teknologien er alltid på jakt etter noe som kan oppnå resultater raskere, mer effektivt og bruke mindre plass.
kilde: Columbia University
