Муаровый узор для новой электроники.

Иллюстрация экспериментальной установки мощного инструмента для изучения и настройки атомарно тонких материалов. Два слоя такого материала были сжаты между плоскими концами двух алмазов, таким образом настраивая потенциал муара, ключевой параметр, иллюстрируемый холмами и впадинами в верхнем слое. Источник.

Когда несколько листов двумерных (толщиной в атом) материалов складываются вместе, это может повлечь возникновение новых экзотических свойств, ранее не характерных для участвующих в связке моно-слоёв. Эти новые возможности ‒ например, сверхпроводимость и нетрадиционный магнетизм ‒ появляются вследствие образования связей между слоями. В то же время, путём смещения слоёв-листов друг относительно друга, можно из этих связей образовать различные геометрические рисунки, называемые муаровым узором. В этих так называемых муаровых системах и скрываются от нас те самые экзотические свойства, однако мало знать, что они там есть. Нужно ещё суметь их включить.

15 июня международная группа учёных во главе с физиками Массачусетского технологического института сообщила о новом мощном инструменте для количественной оценки и контроля ключевого параметра муарных систем. Он включает в себя применение экстремального давления к просвеченной муаровой системе, с последующим затем анализом эффектов с помощью рамановской спектроскопии ‒ распространённого метода по лабораторному изучению молекулярных или атомных колебательных мод вещества. 

В статье по работе, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, авторы отмечают важность теоретической модели, которая обеспечивает основу для понимания полученных в ходе экспериментов данных.

«Техника, которую мы разработали для исследования этих муаровых систем, методологически похожа на методы рентгеновской кристаллографии белков, которые позволяют биологам узнать, где находятся атомы в белке и как белок будет работать», ‒ говорит Риккардо Комин, ассистент-профессор кафедры физики Массачусетского технологического института, работающий также с Лабораторией исследования материалов MIT.

Экспериментальная установка, разработанная командой для приложения экстремального давления к муаровому материалу, в данном случае состоящему из двух ультратонких листов дихалькогенида переходного металла, включает сжатие материала между двумя алмазными наконечниками. Размеры установки и образца невероятно малы. Например, диаметр камеры, в которой это происходит, равен ширине человеческого волоса. 

«И нам нужно точно разместить наш двумерный образец внутри него, так что это несколько сложновато», ‒ говорит постдок Гарвардского университета Луис Г. Пимента Мартинс, соавтор работы, руководивший разработкой установки.

Столь ничтожные размеры позволяют добиться экстремального давления на образец, сопоставимого по значению с давлением Эйфелевой башни на лист бумаги площадью 6.5 см². Ну или примерно в 50 000 раз больше, чем давление воздуха на нас.

Просвечивание и сборный анализ результатов взаимодействия излучения и давления буквально высветил перспективы метода, заставив команду сосредоточиться на энергии вибраций.

«Свет оставляет некоторую энергию внутри материала, и эта энергия может быть связана с разными вещами, ‒ раскрывает суть произошедшего Мартинс. ‒ Измеряя разницу между энергиями фотонов, входящих и исходящих из материала, мы можем исследовать энергию вибраций, создаваемых в материале».

Связанная с вибрациями интенсивность света, исходящая от материала, указывает, насколько сильно взаимодействуют друг с другом электроны разных атомарно тонких слоёв. И вот именно она, эта интенсивность, позволяет определить возможность наличия будущих свойств материала: чем сильнее взаимодействуют электроны, тем больше шансов «поймать» экзотические явления. 

«Потенциал муара ‒ это, по сути, сила этой связи между 2D-слоями», — поясняет Комин.

«Сравнивая экспериментальное увеличение интенсивности исходящего света, связанного с этими вибрациями, с расчётами нашей теоретической модели, мы смогли получить силу потенциала муара и его эволюцию с давлением», ‒ говорит Мартинс.

Теоретическая модель, о которой говорит учёный, разработана Дэвидом Руис-Тиерина, соавтором работы из Национального автономного университета Мексики (UNAM). «Это сложная модель, потому что она включает в себя атомы, электроны и так называемую модель большой суперъячейки, ‒ говорит Комин. ‒ Это означает, что вы моделируете не одну величину, например отдельный атом с его электронами, а большую их совокупность. Она действительно рассматривает динамику атомов, когда они все ещё взаимодействуют с электронами вокруг них».

Сам Руис-Тиерина не без гордости отзывается о проделанной с коллегами работе: «Когда эксперимент показывает то, что вы предсказали, или когда ваша модель действительно может воспроизвести то, что измеряют эксперименты, это ни с чем не сравнимое чувство».

Не принимавший участия в исследовании Мэтью Янкович, доцент физики Вашингтонского университета, так высказывается о значении работы для вей сферы материаловедения: «Давление недавно стало многообещающим методом настройки свойств этих [муаровых] материалов, поскольку оно напрямую изменяет прочность муарного потенциала. Изучением оптических свойств полупроводникового муарового двойного слоя под давлением, команда раскрыла новые способы исследования эффектов муаровой сверхрешётки и управления ими. Эта работа закладывает основу для дальнейшего прогресса в нашем понимании и контроле сильно коррелированных состояний материи, возникающих в полупроводниковых муаровых системах».

Параметр, который команда теперь может измерить, известный как потенциал муара, «расскажет нам, какие физические явления могут быть реализованы в конкретном наборе двумерных материалов. Это одна из самых важных частей информации, которая нам нужна для прогнозирования того, будет ли данный материал демонстрировать какую-либо экзотическую физику или нет», ‒ поясняет Комин.

Но несколько больше воодушевляет то обстоятельство, что разработка позволяет проводить своего рода настройку этого потенциала для достижения различных экзотических свойств нового материала. В результате лучшего понимания происходящего между слоями и управления этими взаимодействиями, мы сможем создать новую тончайшую электронику и продвинуть многие другие технологии. 

АРМК, по материалам MIT News.