Elektronin ja fononin vuorovaikutuksen mysteeri

Viimeaikaiset työt ovat paljastaneet, että grafeenikerrokset, jotka on kierretty toisiinsa nähden pienellä "maagisella kulmalla", voivat toimia täydellisenä eristeenä tai suprajohteena.

Mutta elektronien ja fononien vuorovaikutukset ovat mysteeri. Eindhoven University of Technologyn tutkija Klaas-Jan Tielrooij on osana maailmanlaajuista kansainvälistä yhteistyötä johtanut tutkimusta elektronien ja fononien vuorovaikutuksista grafeenikerroksissa. Ja he ovat tehneet hämmästyttävän löydön.

"Yritimme ymmärtää, kuinka elektronit ja fononit "puhuvat" toisilleen kahden kiertyneen grafeenin kerroksessa", apulaisprofessori Klaas-Jan Tielrooij kertoo.

"Fononit eivät ole hiukkasia kuten elektronit, ne ovat kvasihiukkasia. Silti niiden vuorovaikutus elektronien kanssa tietyissä materiaaleissa ja miten ne vaikuttavat elektronien energiahäviöön on ollut mysteeri jo jonkin aikaa”, Tielrooij toteaa.

Tutkimustaan varten Tielrooijin ryhmä halusi oppia lisää siitä, kuinka elektronit menettävät energiaa maagisen kulman kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa.

Sitten käyttämällä kahta optoelektronista mittaustekniikkaa tutkijat pystyivät selvittämään elektroni-fononi vuorovaikutuksia yksityiskohtaisesti, ja kävi ilmi, että tutkijat ovat paljastaneet kokonaan uuden fyysisen prosessin.

"Vahva elektroni-fononi vuorovaikutus on täysin uusi fysikaalinen prosessi, ja siihen liittyy niin sanottu elektroni-fononi Umklapp-sironta", lisää Hiroaki Ishizuka Tokyo Institute of Technologysta, joka kehitti teoreettisen ymmärryksen tästä prosessista yhdessä MIT:n Leonid Levitovin kanssa.

Umklapp-sironta fononien välillä on prosessi, joka usein vaikuttaa materiaalien lämmönsiirtoon, koska se mahdollistaa suhteellisen suurten liikemäärän siirtämisen fononien välillä.

"Näemme fononi-fononi Umklappin leviämisen vaikutukset koko ajan, koska se vaikuttaa ei-metallisten materiaalien kykyyn johtaa lämpöä huoneenlämpötilassa. Ajattele vaikka eristävää materiaalia ruukun kahvana”, Ishizuka sanoo. "Elektroni-fononi Umklapp-sironta on kuitenkin harvinaista. Tässä olemme kuitenkin ensimmäistä kertaa havainneet, kuinka elektronit ja fononit ovat vuorovaikutuksessa Umklapp-sironnalla hajottaakseen elektronienergiaa. (saks. Umklap engl. flip-over)

"Tulevaisuudessa löydöillä voi olla vaikutuksia varauksen siirtodynamiikkaan, millä voi olla vaikutuksia tuleviin ultranopeisiin optoelektronisiin laitteisiin", Tielrooij sanoo. "Erityisesti ne olisivat erittäin hyödyllisiä alhaisissa lämpötiloissa, mikä tekee materiaalista sopivan avaruus- ja kvanttisovelluksiin."

Aiheesta aiemmin:

Magneettisia yllätyksiä grafeeneissa

Twist, twist, twist

Taikamateriaali moneksi elektroniseksi rakenteeksi