Om du har läst några berättelser om kvantforskning på sistone, i Columbia News eller någon annanstans, kanske du har hört termen 2D eller tvådimensionella material.
En illustration av den atomära strukturen av grafen, en form av ultrastarkt 2D-kol.
I januari publicerade Columbia kemister en studie om den första 2D tung fermion, en klass av material med mycket tunga elektroner. I november publicerade Ingenjörsskolan en berättelse om "Laserdrivning av ett 2D-material.” Och tidigare förra året, forskare fann både supraledning och ferroelektricitet i samma 2D-material. Listan fortsätter.
Så, vad är 2D-material och varför är forskare så intresserade?
Tvådimensionella material är precis vad de låter som: Material som bara är 1 eller 2 atomer tjocka men bredare åt alla håll. Ofta är 2D-materialen som forskare arbetar med några kvadratmikrometer stora – osynliga för blotta ögat, men synliga med den typ av mikroskop som du kan ha använt i gymnasiets naturvetenskapliga klasser. De 2D-material som forskare arbetar med är en blandning av naturligt förekommande material, som grafen, en form av ultrastarkt kol som upptäcktes i Columbia 2004, och material syntetiserade i laboratorier, som CeSil, en kristall som först monterades i Columbia förra året, består av cerium, kisel och jod. Dessa material börjar vanligtvis som tredimensionella, och forskare skalar ner dem till två dimensioner för att utföra experiment på dem och ta reda på vilka fysikaliska egenskaper, som supraledning or magnetism, kan uppstå när materialen är atomplatta. Forskare arbetar på att utveckla nya sätt att göra 2D-material från grunden, utan att behöva dra ner dem från 3D, men kvaliteten på dessa är fortfarande ofullständig.
Många saker gör 2D-material intressanta men en primär är att de begränsar hur partiklar som elektroner kan röra sig inom dem. Columbia kemist Xavier Roy använde en trafikanalogi för att förklara:
"Tänk på det så här: Om vi hade flygande bilar som kunde färdas i tredimensionell rymd skulle vi kunna minska det mesta av trafiken i New York. Men eftersom våra nuvarande bilar bara kan färdas i två dimensioner, slutar vi med enorma trafikstockningar på Times Square, sa Roy i en intervju nyligen.
"Samma sak händer för elektroner när vi går från 3D till 2D, men i vårt fall är "trafik" mellan elektroner fördelaktigt! När dessa elektron-elektron-interaktioner blir starkare kan vi helt förändra egenskaperna hos ett material. Till exempel, eftersom tjockleken på 3D tunga fermionmaterial minskar (dvs när de blir mer 2D), kan de övergå från att vara magnetiska till supraledande."
Tvådimensionella material kan också relativt enkelt justeras: Att stapla dem med små vinklar mellan lagren, applicera krafter som elektriska fält och magnetiska fält och anstränga materialen genom att vrida eller utöva tryck på dem kan förändra deras egenskaper. Ta bara ett exempel: Genom att helt enkelt stapla två ark av ett material som kallas volframdiselenid ovanpå varandra, vrida dem och lägga till eller ta bort elektrisk laddning, kan materialet kan byta från en elledande metall till en elblockerande isolator och tillbaka igen.
Forskare är också glada över 2D-materials potentiella användningsområden inom teknik, som forskare ofta kallar "applikationer".
Tvådimensionella material kommer sannolikt att spela en viktig roll i nästa generations elektronik, inklusive kvantdatorer som fortfarande är under utveckling. Varför? Till stor del eftersom 2D-material är ultrasmå med unika, kontrollerbara egenskaper (som supraledning), och tekniken är alltid på jakt efter något som kan uppnå resultat snabbare, mer effektivt och använda mindre utrymme.
Källa: Columbia University
