Współczesna nauka nieustannie poszukuje innowacyjnych rozwiązań, które mogłyby zrewolucjonizować elektronikę i obliczenia. Materiały dwuwymiarowe (2D), takie jak grafen, od kilku lat znajdują się w centrum zainteresowania naukowców na całym świecie. Odkrycie zespołu profesor Ly Thuc Hue z Uniwersytetu Miasta Hongkongu (CityUHK) stanowi kolejny przełomowy moment w tej fascynującej dziedzinie badań.
Tradycyjne metody wytwarzania zaawansowanych struktur elektronicznych były niezwykle skomplikowane i kosztochłonne. Wymagały precyzyjnych procesów nanoszenia cienkich warstw, stosowania wyrafinowanych technik technologicznych oraz niemal chirurgicznej kontroli parametrów materiałowych. Tymczasem zespół profesor Ly zaproponował zupełnie nowe podejście – prostą metodę skręcania dwuwarstwowych materiałów 2D, która pozwala na generowanie wirowego pola elektrycznego.
Technologia transferu lodowego
Kluczowym innowacyjnym rozwiązaniem jest technika transferu wspomaganego lodem. Ta nowatorska metoda rozwiązuje wiele dotychczasowych problemów technologicznych. Badaczom udało się utworzyć krystalicznie czysty interfejs między warstwami, umożliwiając swobodną manipulację kątami skręcenia w zakresie od 0 do 60 stopni. Co więcej, proponowane rozwiązanie znacząco obniża koszty i złożoność procesu technologicznego.
Profesor Ly szczegółowo wyjaśnia, że wcześniej wytworzenie wirowego pola elektrycznego wymagało stosowania kosztownych i skomplikowanych technik. Tymczasem ich zespół udowodnił, że wystarczy odpowiednie skręcenie dwuwarstwowych materiałów 2D, aby uzyskać ten niezwykły efekt. Naukowcy zaobserwowali utworzenie quasi-kryształu – struktury o nieregularnym, ale wysoce zorganizowanym uporządkowaniu. Takie struktury charakteryzują się unikalnymi właściwościami fizycznymi, które czynią je niezwykle interesującymi z perspektywy zaawansowanych zastosowań technologicznych. Czterowymiarowa elektronowa mikroskopia transmisyjna (4D-TEM) pozwoliła na precyzyjną obserwację zmian zachodzących na poziomie atomowym. Naukowcy mogli nie tylko zaobserwować, ale i dokładnie przeanalizować mechanizmy powstawania wirowego pola elektrycznego w tych niezwykłych strukturach.
Różne rodzaje skręconych materiałów 2D. Ta ilustracja ilustruje symulowane sygnały wirowe obserwowane w różnych materiałach 2D, gdy są skręcone o 8,26° w układzie dwuwarstwowym. Obrót górnego składnika w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem dolnej warstwy w systemie materiałów van der Waalsa, istnieje indukowana cecha przenoszenia pędu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, którą można zaobserwować we wzorze dyfrakcji elektronów wiązki konwergencyjnej. Ten wzór jest powszechnie pokazany w niebieskim wirze z czarną strzałką wskazującą kierunek środka masy. Przerywany prostokąt podkreśla parę wyników grafenu skręconych o -8,26° i 8,26° [2]
Potencjalne kierunki zastosowań
Odkrycie otwiera nowe możliwości w kilku kluczowych dziedzinach nauki i technologii. W przypadku komputerów kwantowych można spodziewać się zwiększenia stabilności i wydajności systemów obliczeniowych. Spintronika zyskuje narzędzie do precyzyjnej kontroli stanu spinowego elektronów, co może zaowocować rewolucyjnymi metodami przechowywania i przesyłania informacji.
Nanotechnologia otrzymuje kolejne narzędzie do projektowania zaawansowanych materiałów funkcjonalnych. Możliwość tworzenia struktur o unikalnych właściwościach otwiera drogę do opracowania innowacyjnych rozwiązań w mikroelektronice, które jeszcze niedawno wydawałyby się niemożliwe.
Zespół profesor Ly nie zamierza poprzestać na dotychczasowych odkryciach. Plany dalszych badań obejmują eksperymenty z większą liczbą warstw materiałów, testowanie różnych materiałów 2D oraz poszukiwanie kolejnych, dotychczas nieznanych zastosowań technologicznych. Warto podkreślić, że odkrycie wirowego pola elektrycznego to nie tylko kolejny krok naukowy. To potencjalny początek zupełnie nowej dziedziny badań w nanotechnologii i elektronice kwantowej, która może zmienić nasze rozumienie procesów fizycznych zachodzących na poziomie molekularnym.
Badania opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science” stanowią świadectwo postępu w rozumieniu zaawansowanych struktur materiałowych. Profesor Ly podsumowuje, że ich odkrycie może zapoczątkować zupełnie nowe podejście do projektowania urządzeń elektronicznych, pamięci, systemów kwantowych oraz sensorycznych. Przyszłość należy do naukowców, którzy potrafią łączyć interdyscyplinarną wiedzę, kwestionować dotychczasowe paradygmaty i odważnie eksplorować nieznane dotąd obszary badań.
[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-vortex-electric-field-discovery-impact.html
[2] Publikacja „Polar and quasicrystal vortex observed in twisted-bilayer molybdenum disulfide”: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp7099