Fabricación de materiales cuánticos 2D utilizando superficies curvas

Científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison han descubierto una forma de controlar el crecimiento de espirales microscópicas y retorcidas de materiales. átomo grueso.

Las pilas de materiales bidimensionales que se retuercen continuamente construidas por un equipo dirigido por el profesor de química Song Jin de UW-Madison crean nuevas propiedades que los científicos pueden explotar para estudiar la física cuántica en la nanoescala. Los investigadores publicaron su trabajo hoy (23 de octubre de 2020) en la revista Ciencias.

“Esta es la frontera actual de la investigación de materiales 2D. En los últimos años, los científicos se han dado cuenta de que cuando haces un pequeño giro entre las capas atómicas, generalmente unos pocos grados, creas propiedades físicas muy interesantes, como una superconductividad no convencional. Por ejemplo, el material retorcido pierde su resistencia eléctrica completamente a baja temperatura ”, dice Jin. “Los investigadores consideran estos materiales cuánticos 2D y llaman a ese trabajo ‘twistronics'”.

Yuzhou Zhao, estudiante de posgrado y primer autor del estudio, dice que la práctica estándar para hacer estructuras bidimensionales retorcidas ha sido apilar mecánicamente dos hojas de materiales delgados una encima de la otra y controlar cuidadosamente el ángulo de torsión entre ellas a mano. Pero cuando los investigadores cultivan estos materiales 2D directamente, no pueden controlar el ángulo de torsión porque las interacciones entre las capas son muy débiles.

“Imagínese hacer una pila de naipes girando continuamente. Si tienes dedos ágiles, podrías torcer las cartas, pero nuestro desafío es cómo hacer que las capas atómicas se retuerzan de una manera controlable por sí mismas en la nanoescala ”, dice Jin.

El equipo de Jin descubrió cómo controlar el crecimiento de estas retorcidas estructuras a nanoescala pensando fuera del espacio plano de la geometría euclidiana.

La geometría euclidiana forma la base matemática del mundo con el que estamos familiarizados. Nos permite pensar en el mundo en planos, líneas rectas y ángulos rectos. Por el contrario, la geometría no euclidiana describe espacios curvos en los que las líneas son curvas y la suma de los ángulos en un cuadrado no es de 360 ​​grados. Las teorías científicas que explican el continuo espacio-tiempo, como la relatividad general de Einstein, utilizan la geometría no euclidiana como base. Pensar en estructuras cristalinas fuera de la geometría euclidiana, dice Jin, abre nuevas e intrigantes posibilidades.

Zhao y Jin crearon espirales retorcidas aprovechando un tipo de imperfección en los cristales en crecimiento llamados dislocaciones de tornillos. Jin ha estudiado este crecimiento de cristales impulsado por dislocaciones durante años y lo ha utilizado para explicar, por ejemplo, el crecimiento de los árboles de nanocables. En los materiales 2D, las dislocaciones brindan un paso adelante para seguir las capas de la estructura a medida que gira en espiral como una rampa de estacionamiento con todas las capas de la pila conectadas, alineando la orientación de cada capa.

Luego, para hacer crecer una estructura en espiral no euclidiana y hacer que las espirales se retuerzan, el equipo de Jin cambió la base de la que crecieron sus espirales. En lugar de hacer crecer los cristales en un plano plano, Zhao colocó una nanopartícula, como una partícula de óxido de silicio, debajo del centro de la espiral. Durante el proceso de crecimiento, la partícula interrumpe la superficie plana y crea una base curva para que crezca el cristal 2D.

Lo que el equipo encontró es que en lugar de una espiral alineada donde el borde de cada capa se encuentra paralelo a la capa anterior, el cristal 2D forma una espiral de múltiples capas que se retuerce continuamente y que se retuerce predeciblemente de una capa a la siguiente. El ángulo de la torsión entre capas surge de un desajuste entre los cristales 2D planos (euclidianos) y las superficies curvas (no euclidianas) en las que crecen.

Zhao llama al patrón en el que la estructura en espiral crece directamente sobre la nanopartícula, creando una base en forma de cono, una “espiral sujeta”. Cuando la estructura crece sobre una nanopartícula descentrada, como una casa construida en la ladera de una montaña, es un patrón de “espiral suelta”. Zhao desarrolló un modelo matemático simple para predecir los ángulos de torsión de las espirales, basado en la forma geométrica de la superficie curva, y sus formas espirales modeladas encajan bien con las estructuras desarrolladas.

Después del descubrimiento inicial, el profesor de ingeniería y ciencia de materiales de UW-Madison Paul Voyles y su alumno Chenyu Zhang estudiaron las espirales bajo un microscopio electrónico para confirmar la alineación de los átomos en estas espirales retorcidas. Sus imágenes mostraron que los átomos en las capas retorcidas vecinas forman un patrón de interferencia superpuesto esperado llamado patrón muaré, que también le da a la ropa de seda fina en capas su brillo y ondulación. El profesor emérito de química John Wright y su laboratorio realizaron estudios preliminares que sugieren el potencial de propiedades ópticas inusuales de las espirales retorcidas.

Los investigadores utilizaron dicalcogenuros de metales de transición como capas para las espirales retorcidas, pero el concepto no depende de materiales específicos, siempre que sean materiales 2D.

“Ahora podemos seguir un modelo racional basado en las matemáticas para crear una pila de estas capas 2D con un ángulo de giro controlable entre cada capa, y son continuas”, dice Zhao.

La síntesis directa de materiales 2D retorcidos permitirá los estudios de la física cuántica novedosa en estos materiales “twistrónicos” 2D, que Jin y sus colaboradores están realizando en serio.

“Cuando ves que todo encaja a la perfección con un modelo matemático simple y piensas, ‘Wow, esto realmente está funcionando’, ese tipo de alegría es la razón por la que trabajamos en la investigación, ese momento ‘eureka’ en el que te das cuenta de que ahora estás aprendiendo algo que nadie más ha entendido antes ”, dice Jin.

Referencia: “Espirales superretorcidas de materiales en capas habilitados por el crecimiento en superficies no euclidianas” por Yuzhou Zhao, Chenyu Zhang, Daniel D. Kohler, Jason M. Scheeler, John C. Wright, Paul M. Voyles y Song Jin, 23 de octubre de 2020 , Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abc4284

Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía (subvenciones DE-FG02-09ER46664 y E-FG02-08ER46547).