Physiker benennen und kodifizieren neues Feld in der Nanotechnologie: „Elektronenquantenmetamaterialien“.

Wenn zwei atomar dünne zweidimensionale Schichten übereinander gestapelt werden und eine Schicht gegen die zweite Schicht rotieren soll, beginnen sie, Muster zu erzeugen – die bekannten Moiré-Muster -, die keine der beiden Schichten allein erzeugen kann und die den Durchgang von Licht und Elektronen erleichtern und Materialien mit ungewöhnlichen Phänomenen ermöglichen. Wenn beispielsweise zwei Graphenschichten überlagert sind und der Winkel zwischen ihnen 1,1 Grad beträgt, wird das Material zu einem Supraleiter.

„Es ist ein bisschen so, als würde man an einem Weinberg vorbeifahren und aus dem Fenster auf die Weinbergreihen schauen. Ab und zu sieht man keine Reihen, weil man direkt in eine Reihe schaut“, sagt Nathaniel Gabor, außerordentlicher Professor am Department of Physics and Astronomy der University of California, Riverside. „Das ist vergleichbar mit dem, was passiert, wenn zwei Atomschichten übereinander gestapelt werden. Bei bestimmten Verdrehwinkeln ist alles energetisch erlaubt. Es ist genau das Richtige, um interessante Möglichkeiten der Energieübertragung zu ermöglichen.“

Dies ist die Zukunft neuer Materialien, die durch Verdrehen und Stapeln atomar dünner Schichten synthetisiert werden, und befindet sich noch in der Phase der „Alchemie“, fügte Gabor hinzu. Um alles unter ein Dach zu bringen, haben er und der Physiker Justin C. W. Song von der Nanyang Technological University, Singapur, vorgeschlagen, dieses Forschungsgebiet „Electron Quantum Metamaterials“ zu nennen und gerade einen perspektivischen Artikel in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

„Wir zeigen das Potenzial der Entwicklung synthetischer periodischer Arrays mit Merkmalsgrößen unterhalb der Wellenlänge eines Elektrons. Diese Technik ermöglicht es, die Elektronen auf ungewöhnliche Weise zu manipulieren, was zu einer neuen Reihe von synthetischen Quantenmetamaterialien mit unkonventionellen Reaktionen führt“, sagte Gabor.

Metamaterialien sind eine Klasse von Materialien, die entwickelt wurden, um Eigenschaften zu erzeugen, die in der Natur nicht vorkommen. Beispiele sind optische Tarnvorrichtungen und Superlinsen, die der Fresnellinse ähneln, die Leuchttürme verwenden. Auch die Natur hat solche Techniken übernommen – zum Beispiel in der einzigartigen Färbung von Schmetterlingsflügeln -, um Photonen zu manipulieren, während sie sich durch nanoskalige Strukturen bewegen.

„Im Gegensatz zu Photonen, die kaum miteinander interagieren, werden Elektronen in subwellenlängenstrukturierten Metamaterialien geladen, und sie interagieren stark“, sagte Gabor. „Das Ergebnis ist eine enorme Vielfalt an auftauchenden Phänomenen und radikal neue Klassen von interagierenden Quantenmetamaterialien.“

Gabor und Song wurden von Nature Nanotechnology eingeladen, ein Review Paper zu schreiben. Aber das Paar entschied sich dafür, tiefer zu erforschen und die grundlegende Physik darzulegen, die einen Großteil der Forschung an Elektronenquanten-Metamaterialien erklären kann. Sie schrieben stattdessen ein perspektivisches Papier, das sich den aktuellen Status des Feldes vorstellt und seine Zukunft diskutiert.

„Forscher, auch in unseren eigenen Labors, untersuchten eine Vielzahl von Metamaterialien, aber niemand hatte dem Feld einen Namen gegeben“, sagte Gabor, der das Labor für Quantenmaterialien und Optoelektronik an der UCR leitet. „Das war unsere Absicht, die Perspektive zu schreiben. Wir sind die ersten, die die zugrunde liegende Physik kodifizieren. In gewisser Weise drücken wir das Periodensystem dieses neuen und spannenden Bereichs aus. Es war eine Herkulesaufgabe, alle bisherigen Arbeiten zu kodifizieren und ein einheitliches Bild zu präsentieren. Die Ideen und Experimente sind gereift, und die Literatur zeigt, dass es schnelle Fortschritte bei der Herstellung von Quantenmaterialien für Elektronen gegeben hat. Es war an der Zeit, alles unter einem Dach zusammenzufassen und den Forschern eine Roadmap zur Kategorisierung der zukünftigen Arbeit anzubieten.“

In der Perspektive sammeln Gabor und Song frühe Beispiele in Elektronenmetamaterialien und destillieren daraus entstehende Designstrategien für die elektronische Steuerung. Sie schreiben, dass einer der vielversprechendsten Aspekte des neuen Feldes auftritt, wenn Elektronen in Subwellenlängen-Strukturproben interagieren, um ein unerwartetes Emergenzverhalten zu zeigen.

„Das Verhalten der Supraleitung in verdrilltem Doppelschicht-Graphen, das sich herausstellte, war eine Überraschung“, sagte Gabor. „Es zeigt bemerkenswert, wie Elektronenwechselwirkungen und Subwellenlängenmerkmale so gestaltet werden können, dass sie in Quantenmetamaterialien zusammenarbeiten und radikal neue Phänomene hervorrufen. Es sind Beispiele wie diese, die eine spannende Zukunft für elektronische Metamaterialien darstellen. Bisher haben wir nur die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass viele neue Arbeiten folgen werden.“

Mehr Informationen:
Justin C. W. Song et al. Elektronenquantenmetamaterialien in van der Waals Heterostrukturen, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0294-9

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 3 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares