Если вы в последнее время читали какие-либо статьи о квантовых исследованиях в Columbia News или где-либо еще, возможно, вы слышали этот термин. 2D или двумерные материалы.
Иллюстрация атомной структуры графена — формы сверхпрочного двумерного углерода.
В январе химики Колумбийского университета опубликовали исследование о первом 2D тяжелый фермион, класс материала с очень тяжелыми электронами. В ноябре Инженерная школа опубликовала материал на тему «Лазерное управление 2D-материалом». А в начале прошлого года Исследователи обнаружили сверхпроводимость и сегнетоэлектричество в одном и том же двумерном материале, Список можно продолжить.
Итак, что же такое 2D-материалы и почему ученые так интересуются ими?
Двумерные материалы — это именно то, на что они похожи: материалы толщиной всего в 1 или 2 атома, но шире во всех остальных направлениях. Часто ученые, занимающиеся 2D-материалами, имеют размер в несколько квадратных микрометров — невидимые невооруженным глазом, но видимые с помощью микроскопа, который вы, возможно, использовали на уроках естественных наук в средней школе. 2D-материалы, с которыми работают ученые, представляют собой смесь природных материалов, таких как графен, форма сверхпрочного углерода, обнаруженная в Колумбии в 2004 году, и материалов, синтезированных в лабораториях, таких как CeSil, кристалл, впервые собранный в Колумбии в прошлом году. состоит из церия, кремния и йода. Эти материалы обычно изначально трехмерны, и ученые уменьшают их до двух измерений, чтобы провести над ними эксперименты и выяснить, какие физические свойства, например, сверхпроводимость or магнетизм, может возникнуть, когда материалы являются атомно-плоскими. Ученые работают над разработкой новых способов создания 2D-материалов с нуля без необходимости отделения их от 3D, но качество этих материалов все еще несовершенно.
Многие вещи делают 2D-материалы интересными, но главная из них заключается в том, что они ограничивают способы перемещения частиц, таких как электроны, внутри них. Химик Колумбийского университета Ксавье Рой использовал аналогию с трафиком, чтобы объяснить:
«Подумайте об этом так: если бы у нас были летающие автомобили, которые могли бы путешествовать в трехмерном пространстве, мы смогли бы сократить большую часть трафика в Нью-Йорке. Но поскольку наши нынешние автомобили могут передвигаться только в двух измерениях, на Таймс-сквер возникают огромные пробки», — сказал Рой в недавнем интервью.
«То же самое происходит и с электронами, когда мы переходим из 3D в 2D, но в нашем случае «движение» между электронами полезно! Поскольку эти электрон-электронные взаимодействия становятся сильнее, мы можем полностью изменить свойства материала. Например, по мере того, как толщина трехмерных материалов с тяжелыми фермионами уменьшается (т.е. когда они становятся более двумерными), они могут перейти от магнитных свойств к сверхпроводящим».
Двумерные материалы также можно относительно легко настроить: укладывая их под небольшим углом между слоями, применяя силы, такие как электрические и магнитные поля, и деформируя материалы путем скручивания или приложения к ним давления, можно изменить их свойства. Возьмем хотя бы один пример: просто сложив друг на друга два листа материала, называемого диселенидом вольфрама, скрутив их и добавив или убрав электрический заряд, материал может перейти от электропроводящего металла к изолятору, блокирующему электричество и обратно.
Учёных также воодушевляют потенциальные возможности использования 2D-материалов в технологиях, которые учёные часто называют «приложениями».
Двумерные материалы, вероятно, будут играть жизненно важную роль в электронике следующего поколения, включая квантовые компьютеры, которые все еще находятся на стадии разработки. Почему? Во многом потому, что 2D-материалы очень малы по размеру и обладают уникальными контролируемыми свойствами (например, сверхпроводимостью), а технологии всегда находятся в поиске чего-то, что позволит достичь результатов быстрее, эффективнее и с использованием меньшего пространства.
Источник: Колумбийский университет
