„Magiškas“ grafenas nustebino fizikus: vos pakeitus formą, dramatiškai keičiasi jo laidumas

Sekite TechNaujienos Google

Vašingtono universiteto fizikai paskelbė, kad vadinamasis magiškojo kampo grafenas gali būti valdomas dar vienu neįprastu būdu – jį tempiant ir spaudžiant. Lapkričio 12 dienos universiteto pranešime aprašomas tyrimas, paskelbtas žurnale „Science“. Mokslininkai stebėjo, kaip labai nedidelė dviejų atomų plonumo anglies sluoksnių deformacija stipriai keičia jų elektrinę varžą. Tokia savybė atveria dar vieną būdą tyrinėti egzotiškas kvantines būsenas, kurios ateityje galėtų būti svarbios naujų elektroninių įrenginių kūrimui.

Grafenas yra vieno atomo storio anglies sluoksnis, kuriame atomai išsidėstę šešiakampiu tinklu. Mokslininkai jau anksčiau pastebėjo, kad uždėjus du tokius sluoksnius vieną ant kito ir pasukus juos maždaug 1,1 laipsnio kampu, elektrinės savybės gali pasikeisti neįtikėtinai stipriai. Esant labai žemai temperatūrai galima stebėti superlaidumo ir kitas kvantines būsenas. Būtent dėl to šis kampas gavo „magiškojo“ pavadinimą.

Vieno laipsnio kampas ir naujas fizikinis valdiklis

Kai dvi grafeno gardelės šiek tiek pasukamos, susidaro moiré raštas – didesnio mastelio pasikartojantis raštas, kurį gali sukurti ir du persidengiantys tinkleliai. Elektronai tokioje struktūroje juda kitaip nei įprastame grafene. Dėl to galima išgauti būsenas, kurios stipriai priklauso nuo kampo, temperatūros, elektrinio lauko ar magnetinio poveikio. Tačiau iki šiol tiksli mechaninio deformavimo įtaka daugeliui eksperimentų buvo mažiau ištirta.

Naujame tyrime mokslininkai papildomai tempė ir spaudė medžiagą, taip keisdami jos atomų padėtį. Eksperimente fiksuoti dideli elektrinės varžos pokyčiai, priklausę nuo deformacijos krypties bei dydžio. Tai rodo, kad kvantinė sistema yra neįprastai jautri mechaninėms sąlygoms. Kitaip tariant, fizikai gali keisti elektronų elgseną ne vien elektros įtampa, bet ir itin mažais judesiais, kurių plika akimi neįmanoma įžiūrėti.

Naujausi straipsniai

4 min. skaitymo • prieš 5 val

Prancūzija kuria tarptautinį karinio DI centrą: sieks NATO pripažinimo ir mažesnės priklausomybės nuo JAV

5 min. skaitymo • prieš 6 val

JAV tankus „Abrams“ saugos DI dronai: sistema atpažins daugiau kaip 150 sprogstamųjų grėsmių

4 min. skaitymo • prieš 6 val

Britų komandosai gauna DI sistemą karo laukui: už milijonus sujungs dronus, jutiklius ir pajėgas

Visi naujausi straipsniai →

Tyrimo vyresnysis autorius Matthew Yankowitzas pabrėžė, kad deformuojant atomų gardelę atsiveria naujos eksperimentinės galimybės. Vis dėlto negalima teigti, jog atrastas grafenas jau leidžia kambario temperatūroje sukurti komercinį superlaidininką. Superlaidumo reiškiniai tokiuose eksperimentuose paprastai tiriami labai žemoje temperatūroje, o praktiniam taikymui reikia išspręsti daugiau stabilumo, gamybos ir mastelio problemų.

Kodėl tai įdomu lustų ir energijos technologijoms

Elektronikos pramonė ieško medžiagų, kurios galėtų būti naudojamos efektyvesniuose tranzistoriuose, atminties įrenginiuose arba naujuose kvantiniuose jutikliuose. Grafenas tam atrodo patrauklus dėl savo plonumo ir elektrinių savybių, bet vien nuostabi laboratorinė fizika nereiškia, kad jį lengva integruoti į masinę gamybą. Magiškojo kampo struktūros ypač jautrios sluoksnių išsidėstymui, todėl kiekvieno papildomo valdymo būdo atradimas gali būti naudingas ateities tyrimams.

Mechaninio deformavimo galimybė svarbi ir teoriškai: ji padeda patikrinti, kurios medžiagos savybės kyla iš elektronų tarpusavio sąveikos, o kurios priklauso nuo geometrinės atomų struktūros. Jei mokslininkai išmoks tokias sistemas valdyti patikimai, tai suteiktų daugiau galimybių kurti dirbtines kvantines medžiagas. Tačiau naujasis straipsnis pristato eksperimentinius fizikos rezultatus, o ne naują vartotojams parduodamą procesorių.

Kuriant naujos kartos lustus svarbios ir kitos kryptys. TechNaujienos.lt neseniai rašė apie nesilicinius tranzistorius, fotoninių DI procesorių bandymus ir Europos puslaidininkių investicijų kryptis. Grafeno eksperimentas priklauso ilgesnio laikotarpio tyrimams, kurių rezultatai galėtų padėti kuriant visiškai kitokias elektronikos architektūras.

Mechaninis medžiagos deformavimas taip pat gali parodyti, kodėl du iš pažiūros identiški laboratoriniai mėginiai veikia skirtingai. Jei net labai nedidelis tempimas pakeičia elektrinį atsaką, gaminant grafeno struktūras būtina kontroliuoti ne tik sluoksnių kampą, bet ir likusias mechanines įtampas. Tai gali paaiškinti dalį nevienodų rezultatų, pasitaikančių skirtingų tyrėjų bandymuose. Toks supratimas yra svarbus žingsnis, jei ateityje bus siekiama technologiją atkartoti ne vien mikrospanelio dydžio mėginyje, bet ir didesniame įrenginyje.

Žvelgiant į platesnį kontekstą, magiškojo kampo grafenas priklauso vadinamųjų dvimačių kvantinių medžiagų tyrimams. Jų galimybes lemia ne vien cheminė sudėtis, bet ir tai, kaip atomų sluoksniai išdėstyti vienas kito atžvilgiu. Ši kryptis gali suteikti naujų idėjų lustams, jutikliams ir eksperimentams su kvantinėmis būsenomis. Tačiau komercinėms programoms reikės patikimų kontaktų, vienodų gamybos procesų ir ilgaamžiškumo bandymų. Todėl dabartinis atradimas – svarbus fundamentaliosios fizikos rezultatas, ne gatava vartotojo technologija.

Lietuvai tokie tyrimai aktualūs per universiteto laboratorijų, medžiagotyros ir fotonikos technologijų veiklą. Nors konkreti komercinė grafeno gamykla šio atradimo pagrindu dar nepaskelbta, naujų fizikos valdymo būdų atsiradimas leidžia plačiau ieškoti būsimų technologinių sprendimų. Dabar svarbiausia pakartoti rezultatus, nustatyti ribas ir išsiaiškinti, ar medžiagos savybes galima atkurti ne vien vienetiniuose laboratoriniuose mėginiuose.