Taikakulmagrafeeni kytkee päälle ja pois

Yksi modernin fysiikan keskeisistä ideoista on faasimuutos – aineen olomuodon äkillinen muutos. Kohtaamme faasimuutoksia kaikkialla jokapäiväisessä elämässä: vesi jäätyy jääksi, vaha sulaa liekin lämmössä ja vesihöyry tiivistyy pisaroiksi kylmällä ikkunalla.

Näissä tutuissa esimerkeissä atomit järjestäytyvät uudelleen uuteen rakenteeseen, mikä antaa materiaalille täysin erilaiset ominaisuudet. Mutta jotkut kiehtovimmista faasimuutoksista ovat silmälle näkymättömiä. Atomien uudelleenjärjestäytymisen sijaan elektronit järjestäytyvät kollektiivisesti uuteen kvanttitilaan. Hienovarainen muutos ulkoisissa parametreissa – lämpötilassa, magneettikentässä tai jopa valolle altistumisessa – voi muuttaa täysin materiaalin käyttäytymistä.

Suprajohtavuus on kenties kuuluisin esimerkki elektronisesta faasimuutoksesta. Yli vuosisadan ajan suprajohtava tila on kiehtonut fyysikkoja. Silti itse siirtymä on aivan yhtä merkittävä kuin tila, johon se johtaa. Lähellä siirtymäpistettä jopa pieni ulkoinen ärsyke aiheuttaa dramaattisen muutoksen materiaalin ominaisuuksissa. Tämä poikkeuksellinen herkkyys on tehnyt suprajohteista perustan joillekin maailman herkimmille ilmaisimille, jotka pystyvät rekisteröimään kaukaisista galakseista saapuvia yksittäisiä fotoneja.

Singaporen kansallisen yliopiston Institute for Functional Intelligent Materials (IFIM) -laboratoriossa tutkitaan, miten uudet kvanttimateriaalit vuorovaikuttavat kaukoinfrapunasäteilyn (FIR) kanssa, joka on tärkeä sähkömagneettisen spektrin kaista ja tunnetusti vaikea havaita.

Uusimmassa tutkimuksessa he osoittivat, että suprajohteet eivät ole ainoita materiaaleja, joiden faasimuutos voidaan valjastaa tällä kertaa ultraherkän valonhavainnon aikaansaamiseksi.

Havaitsimme, että jopa matalan intensiteetin FIR-säteily riittää muuttamaan maagisen kulman kiertyneen kaksikerroksisen grafeenin korreloidusta eristeestä – tilasta, jossa vuorovaikutukset sitovat elektronit hauraaseen kollektiiviseen järjestykseen, joka estää virran kulun – metalliksi.

Mekanismi on hämmästyttävän yksinkertainen: absorboitunut säteily lämmittää elektroneja – samalla kun itse kidehila pysyy kylmänä – ja jo pieni lämpötilan nousu riittää "sulattamaan" hauraan eristävän tilan ja palauttamaan metallisen johtavuuden.

Tiedeyhteisölle tulos on jo itsessään kiehtova. Korreloituneen kvanttitilan liukenemisen seuraaminen himmeässä FIR-valonsäteessä avaa uuden ikkunan joihinkin elektronien kollektiivisen käyttäytymisen herkimpiin muotoihin – miten tällaiset hauraat faasit syntyvät, miten ne katoavat ja miten niitä voidaan hallita.

Mutta löydöllä on myös käytännöllinen lupaus. FIR-alue on edelleen yksi sähkömagneettisen spektrin vähiten hallituista alueista: elektroniikan ja optiikan välimaastossa sijaitsevana sitä on tunnetusti vaikea tuottaa ja havaita – vaikka juuri siellä toimivat monet uudet teknologiat lääketieteellisestä diagnostiikasta turvatarkastuksiin ja havaintoastronomiaan.

Edistyminen kaikilla näillä aloilla riippuu viime kädessä nopeista ja herkistä ilmaisimista. Tuloksemme luovat pohjan taikakulmagrafeenille – kvanttimateriaalille, jossa itse eristävä tila voidaan kytkeä päälle ja pois yksinkertaisella porttijännitteellä ja jossa pieni FIR-valon hiljennys riittää elektronisen kytkimen kytkemiseen päälle.

Aiheesta aiemmin:

Hukkaan heitetty infrapunavalo käyttöön

Ohjata elektroneja femtosekunneissa

Lisää kerroksia kierteisiin grafeenikerroksiin