Kuvia kvanttimateriaalien lämmön atomitason liikehdinnästä

Atomitason ilmiöitä tuleviin elektronisiin ja kvanttilaitteisiin vaikuttavia ilmiöitä tutkivat tutkijat ovat ottaneet ensimmäiset atomien lämpövärähtelyistä tehdyt mikroskopiakuvat – paljastaen uudenlaisen liikkeen, joka voisi muokata kvanttiteknologioiden ja ultraohuen elektroniikan suunnittelua.

Materiaalitieteen ja -tekniikan laitoksen apulaisprofessori Yichao Zhang on kehittänyt elektronimikroskopiatekniikan, jolla voidaan kuvata suoraan "moiré-ilmiötä" – fysikaalista ilmiötä, joka vaikuttaa suprajohtavuuteen ja lämmönjohtavuuteen kaksiulotteisissa materiaaleissa seuraavan sukupolven elektronisissa ja kvanttilaitteissa.

Hänen perusteelliset tutkimuksensa, joissa ensimmäistä kertaa dokumentoitiin kuvia yksittäisten atomien lämpövärähtelystä, julkaistiin Science- lehdessä.

Kaksiulotteisia materiaaleja tutkitaan parhaillaan uusina komponentteina seuraavan sukupolven kvantti- ja elektroniikkalaitteissa. Kierrettyjen kaksiulotteisten materiaalien ominaisuus on "moiré-fasonit", jotka ovat ratkaisevan tärkeitä materiaalien lämmönjohtavuuden, elektronisen käyttäytymisen ja rakenteellisen järjestyksen ymmärtämiseksi. Aiemmin moiré-fasonien havaitseminen kokeellisesti oli vaikeaa, mikä esti kvanttiteknologioita ja energiatehokasta elektroniikkaa mullistavien materiaalien ymmärtämisen.

Zhangin tutkimusryhmä tarttui tähän haasteeseen käyttämällä uutta tekniikkaa nimeltä "elektroniptykografia", joka mahdollistaa poikkeuksellisen avaruudellisen resoluution. Kyseessä on suurteholaskennalla avustettu mikroskopiatekniikka. Nyt sillä saavutettiin korkein dokumentoitu resoluutio (parempi kuin 15 pikometriä) ja havaittiin yksittäisten atomien epätarkkuus, joka johtui lämpövärähtelyistä.

Zhangin työ on paljastanut, että paikallisesti lokalisoituneet moiré-fasonit hallitsevat kiertyneiden kaksiulotteisten materiaalien lämpövärähtelyjä, mikä on muokannut perusteellisesti tapaa, jolla tiedemiehet ymmärtävät moiré-ilmiön vaikutuksen.

Hänen läpimurtotutkimuksensa, joka vahvisti pitkään voimassa olleet moiré-fasonien teoreettiset ennusteet, osoitti myös, että "elektroniptykografiaa" voidaan ensimmäistä kertaa käyttää lämpövärähtelyjen kartoittamiseen atomitason tarkkuudella – mikä oli aiemmin kokeellinen ja saavuttamaton kyky.

”Tämä on kuin atomien liikkeen piilotetun kielen dekoodaamista”, Zhang sanoi. ”Elektroniptykografian avulla voimme nähdä nämä hienovaraiset värähtelyt suoraan. Nyt meillä on tehokas uusi menetelmä aiemmin piilossa olevan fysiikan tutkimiseen, mikä nopeuttaa kaksiulotteisten kvanttimateriaalien löytämistä.”

Zhangin tutkimusryhmä keskittyy nyt selvittämään, miten kvantti- ja elektroniikkamateriaalien viat ja rajapinnat vaikuttavat lämpövärähtelyihin. Näiden materiaalien lämpövärähtelykäyttäytymisen hallinta voisi mahdollistaa uusien laitteiden suunnittelun, joilla on räätälöidyt lämpö-, elektroniikka- ja optiset ominaisuudet – mikä tasoittaisi tietä kvanttilaskennan, energiatehokkaan elektroniikan ja nanomittakaavan antureiden edistykselle.

Aiheesta aiemmin:

Atomin täydellinen laskeutuminen atomihilaan

Fasonien metsästystä