Bükümlü Katmanlı Grafen, 2-D’de Eşsiz Kuantum Hapsedilme Etkileri Görüntülüyor
2 boyutlu katmanlı malzeme sistemlerinde elektronların nasıl hareket ettiğini anlamak, kuantum hesaplama ve iletişim.
İki farklı çift katmanlı konfigürasyonu inceleyen bilim adamları grafen— iki boyutlu (2-D), atom-ince karbon formu—elektronik ve optik ara katman rezonanslarını tespit etti. Bu rezonans durumlarında, elektronlar 2 boyutlu arayüzdeki iki atom düzlemi arasında aynı frekansta ileri geri sıçrar. Bu durumları karakterize ederek, grafen katmanlarından birini diğerine göre 30 derece bükmenin, katmanları doğrudan üst üste istiflemek yerine rezonansı daha düşük bir enerjiye kaydırdığını buldular.
Bu sonuçtan, az önce yayınlanan Fiziksel İnceleme Mektupları, yığılmış olana kıyasla bükülmüş konfigürasyonda iki katman arasındaki mesafenin önemli ölçüde arttığını çıkardılar. Bu mesafe değiştiğinde, iki katmanlı sistemde elektronların nasıl hareket ettiğini etkileyen katmanlar arası etkileşimler de değişir. Bu elektron hareketinin anlaşılması, daha güçlü bilgi işlem ve daha güvenli iletişim için gelecekteki kuantum teknolojilerinin tasarımını bilgilendirebilir.
Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi’nde (CFN) Arayüz Bilimi ve Kataliz Grubu’nda doktora sonrası araştırmacı olan ilk ve ortak yazar Zhongwei Dai, “Bugünün bilgisayar çipleri, elektronların yarı iletkenlerde, özellikle silikonda nasıl hareket ettiğine dair bilgimize dayanıyor” dedi. ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı. “Ancak silikonun fiziksel özellikleri, ne kadar küçük transistör yapılabileceği ve bir çipe kaç tane sığabileceği açısından fiziksel bir sınıra ulaşıyor. Elektronların birkaç küçük ölçekte nasıl hareket ettiğini anlayabilirsek nanometre 2-D malzemelerin küçültülmüş boyutlarında, kuantum bilgi bilimi için elektronları kullanmanın başka bir yolunun kilidini açabiliriz.”
Birkaç nanometrede veya bir metrenin milyarda birinde, bir malzeme sisteminin boyutu elektronların dalga boyuyla karşılaştırılabilir. Elektronlar, dalga boylarının boyutlarına sahip bir boşlukta hapsedildiğinde, malzemenin elektronik ve optik özellikleri değişir. Bu kuantum hapsetme etkileri, elektronların bir malzeme içinde hareket ettiği ve rastgele kusurlarla saçıldığı klasik mekanik hareketten ziyade kuantum mekanik dalga benzeri hareketin sonucudur.
Bu araştırma için ekip, kuantum hapsetme etkilerini araştırmak için iki farklı prob uygulayarak basit bir malzeme modeli (grafen) seçti: elektronlar ve fotonlar (ışık parçacıkları). Hem elektronik hem de optik rezonansları araştırmak için üzerine grafenin aktarılabileceği özel bir alt tabaka kullandılar. Ortak yazar ve CFN Arayüz Bilimi ve Kataliz Grubu bilim adamı Jurek Sadowski, bu alt tabakayı daha önce Quantum Material Press (QPress) için tasarlamıştı. QPress, katmanlı 2 boyutlu malzemelerin sentezi, işlenmesi ve karakterizasyonu için CFN Malzeme Sentezi ve Karakterizasyon Tesisinde geliştirilmekte olan otomatik bir araçtır. Geleneksel olarak, bilim adamları, birkaç yüz nanometre kalınlığında bir silikon dioksit substratı üzerinde 3 boyutlu ana kristallerden (örneğin, grafitten grafen) 2 boyutlu malzeme “pullarını” pul pul dökerler. Bununla birlikte, bu substrat yalıtkandır ve bu nedenle elektron tabanlı sorgulama teknikleri çalışmaz. Böylece, Sadowski ve CFN bilim adamı Chang-Yong Nam ve Stony Brook Üniversitesi yüksek lisans öğrencisi Ashwanth Subramanian, silikon dioksit substratı üzerinde sadece üç nanometre kalınlığında iletken bir titanyum oksit tabakası biriktirdi.
Sadowski, “Bu katman, optik karakterizasyon ve pul pul dökülmüş pulların ve istiflenmiş tek tabakaların kalınlığının belirlenmesi için yeterince şeffafken, elektron mikroskobu veya senkrotron bazlı spektroskopi teknikleri için yeterince iletken” dedi.
Pennsylvania Üniversitesi’ndeki Charlie Johnson Grubu’nda—Rebecca W. Bushnell Fizik ve Astronomi Profesörü Charlie Johnson, doktora sonrası Qicheng Zhang ve eski doktora sonrası Zhaoli Gao (şu anda Hong Kong Çin Üniversitesi’nde yardımcı doçent) — grafen üzerinde büyüdüler. metal folyolar ve titanyum oksit/silikon dioksit substratı üzerine aktarıldı. Grafen bu şekilde büyütüldüğünde, üç alanın tümü (tek katmanlı, yığılmış ve bükülmüş) mevcuttur.
Daha sonra Dai ve Sadowski, düşük enerjili elektron mikroskobu (LEEM) ile elektronları malzemeye fırlattıkları ve yansıyan elektronları tespit ettikleri deneyler tasarladılar ve gerçekleştirdiler. Ayrıca, bir spektrometre ile lazer tabanlı bir optik mikroskoptan fotonları malzemeye ateşlediler ve geri saçılan ışığın spektrumunu analiz ettiler. Bu eş odaklı Raman mikroskobu, görüntü analiz yazılımıyla birlikte ilgili örnek alanların konumlarını tam olarak belirleyebilen QPress kataloglayıcısının bir parçasıdır.
Dai, “QPress Raman mikroskobu, hedef numune alanını hızlı bir şekilde tanımlamamızı sağlayarak araştırmamızı hızlandırdı” dedi.
Elde ettikleri sonuçlar, bükülmüş grafen konfigürasyonundaki katmanlar arasındaki boşluğun, bükülmemiş konfigürasyona göre yaklaşık yüzde altı arttığını gösterdi. New Hampshire Üniversitesi’ndeki teorisyenler tarafından yapılan hesaplamalar, bükülmüş konfigürasyondaki benzersiz rezonans elektronik davranışı doğruladı.
Sadowski, “Döndürülmüş grafenden yapılan cihazlar, elektronların hareket edebileceği artan ara katman aralığı nedeniyle çok ilginç ve beklenmedik özelliklere sahip olabilir” dedi.
Daha sonra ekip, bükülmüş grafen ile cihazlar üretecek. Ekip ayrıca, katmanlı yapıya farklı materyaller eklemenin elektronik ve optik özelliklerini nasıl etkilediğini keşfetmek için CFN personeli bilim adamı Samuel Tenney ve CFN doktora sonrası Calley Eads ve Nikhil Tiwale tarafından yürütülen ilk deneyleri temel alacak.
Dai, “Bu ilk araştırmada, elektronların nasıl davrandığını anlamak için sentezleyebileceğimiz ve kontrol edebileceğimiz en basit 2 boyutlu malzeme sistemini seçtik” dedi. “Kuantum hesaplama ve iletişim için malzemelerin nasıl manipüle edileceğine ışık tutmayı umarak bu tür temel çalışmalara devam etmeyi planlıyoruz.”
Bu araştırma, DOE Bilim Ofisi tarafından desteklendi ve her ikisi de Brookhaven’daki DOE Bilim Ofisi Kullanıcı Tesisleri olan CFN ve Ulusal Synchrotron Işık Kaynağı II’nin (NSLS-II) kaynaklarını kullandı. LEEM mikroskobu, NSLS-II’deki Elektron Spektro-Mikroskopi ışın hattının x-ışını fotoemisyon elektron mikroskobu (XPEEM)/LEEM uç istasyonunun bir parçasıdır; CFN, bu uç istasyonu, NSLS-II ile bir ortak kullanıcı sözleşmesi aracılığıyla çalıştırır. Diğer finansman kuruluşları Ulusal Bilim Vakfı, Hong Kong Özel İdari Bölgesi Araştırma Hibe Konseyi ve Hong Kong Çin Üniversitesi’dir.
Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için Atomik Olarak İnce, Bükülmüş Grafenin Kuantum Hesaplamasını Geliştirebilecek Benzersiz Özellikleri Var’ı okuyun.
Referans: Zhongwei Dai, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel A. Tenney, Richard M. Osgood, Chang-Yong tarafından “Grafen Heteroyapı Arayüzlerinde Quantum-Well Bound States” Nam, Jiadong Zang, AT Charlie Johnson ve Jerzy T. Sadowski, 20 Ağustos 2021, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.086805
.
Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN