«Сегодняшние компьютерные микросхемы основаны на наших знаниях о том, как движутся электроны в полупроводниках, в частности в кремнии», – сказал первый и соавтор-корреспондент Чжунвэй Дай, постдок группы по изучению интерфейсов и катализу в Центре функциональных наноматериалов (CFN) U.S. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики (DOE). "Но физические свойства кремния достигают физического предела с точки зрения того, насколько маленькие транзисторы могут быть сделаны и сколько может поместиться на кристалле.
Если мы сможем понять, как электроны движутся в небольшом масштабе нескольких нанометров в уменьшенных размерах двумерных материалов, мы сможем открыть другой способ использования электронов в квантовой информатике."
В несколько нанометров, или миллиардных долей метра, размер материальной системы сопоставим с длиной волны электронов. Когда электроны удерживаются в пространстве размером с их длину волны, электронные и оптические свойства материала меняются.
Эти эффекты квантового ограничения являются результатом квантовомеханического волнового движения, а не классического механического движения, при котором электроны движутся через материал и рассеиваются случайными дефектами.
Для этого исследования команда выбрала простую модель материала – графен – для изучения эффектов квантового ограничения, применяя два разных зонда: электроны и фотоны (частицы света). Для исследования электронного и оптического резонансов использовалась специальная подложка, на которую можно было переносить графен. Соавтор-корреспондент и ученый из CFN Interface Science and Catalysis Group Юрек Садовски ранее разработал этот субстрат для Quantum Material Press (QPress).
QPress – это автоматизированный инструмент, разрабатываемый в Центре синтеза и определения характеристик материалов CFN для синтеза, обработки и определения характеристик слоистых двумерных материалов. Обычно ученые отслаивают двумерные «хлопья» материала от трехмерных исходных кристаллов (например,.грамм., графен из графита) на подложке из диоксида кремния толщиной несколько сотен нанометров. Однако эта подложка является изолирующей, и поэтому электронные методы опроса не работают. Так, Садовски и ученый CFN Чанг-Йонг Нам и аспирант Университета Стоуни Брук Ашвант Субраманиан нанесли проводящий слой оксида титана толщиной всего три нанометра на подложку из диоксида кремния.
«Этот слой достаточно прозрачен для оптических характеристик и определения толщины отслоившихся чешуек и уложенных друг на друга монослоев, в то же время достаточно проводящий для электронной микроскопии или методов синхротронной спектроскопии», – пояснил Садовски.
В группе Чарли Джонсона в Пенсильванском университете – Ребекка В. Бушнелл, профессор физики и астрономии Чарли Джонсон, постдоктор Циченг Чжан и бывший постдок Чжаоли Гао (ныне доцент Китайского университета Гонконга) вырастили графен на металлической фольге и перенесли его на подложку из оксида титана / диоксида кремния. Когда графен выращивается таким образом, присутствуют все три домена (однослойный, стопочный и скрученный).
Затем Дай и Садовски разработали и провели эксперименты, в которых они стреляли электронами в материал с помощью низкоэнергетического электронного микроскопа (LEEM) и регистрировали отраженные электроны.
Они также испускали фотоны из лазерного оптического микроскопа со спектрометром в материал и анализировали спектр рассеянного света. Этот конфокальный рамановский микроскоп является частью каталогизатора QPress, который вместе с программным обеспечением для анализа изображений может точно определять местоположение исследуемых областей образца.
«Рамановский микроскоп QPress позволил нам быстро идентифицировать целевую область образца, что ускорило наши исследования», – сказал Дай.
Их результаты показали, что расстояние между слоями в конфигурации скрученного графена увеличилось примерно на шесть процентов по сравнению с конфигурацией без скрутки. Расчеты теоретиков из Университета Нью-Гэмпшира подтвердили уникальное резонансное электронное поведение в закрученной конфигурации.
«Устройства, сделанные из повернутого графена, могут иметь очень интересные и неожиданные свойства из-за увеличенного расстояния между слоями, в котором могут двигаться электроны», – сказал Садовски.
Затем команда изготовит устройства из скрученного графена. Команда также будет опираться на первоначальные эксперименты, проведенные штатным научным сотрудником CFN Сэмюэлем Тенни и постдоками CFN Калли Идсом и Нихилом Тивале, чтобы изучить, как добавление различных материалов к слоистой структуре влияет на ее электронные и оптические свойства.
«В этом первоначальном исследовании мы выбрали простейшую двухмерную материальную систему, которую мы можем синтезировать и контролировать, чтобы понять, как ведут себя электроны», – сказал Дай. «Мы планируем продолжить такие фундаментальные исследования, надеясь пролить свет на то, как манипулировать материалами для квантовых вычислений и коммуникаций."
Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США и использовало ресурсы CFN и National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), оба из которых находятся в Управлении науки Министерства энергетики США в Брукхейвене. Микроскоп LEEM является частью конечной станции рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии (XPEEM) / LEEM канала электронной спектромикроскопии на NSLS-II; CFN управляет этой оконечной станцией через партнерское пользовательское соглашение с NSLS-II.
Другими финансирующими агентствами являются Национальный научный фонд, Совет по исследовательским грантам Специального административного района Гонконг и Китайский университет Гонконга.