Forskare har nyligen avslöjat, både teoretiskt och experimentellt, att germaniumatomer kan ordna sig till ett 2-D "bi-triangulärt" gitter på zirkoniumdiborid tunna filmer odlade på germanium-enkristaller för att bilda ett "plattbandsmaterial" med ett inbäddat "kagome" -gitter. Resultatet ger experimentellt stöd för en teoretisk förutsägelse av platta band som kommer från trivial atomgeometri och indikerar möjligheten av deras existens i många fler material.

Det mänskliga sinnet dras naturligt till föremål som har symmetri; faktiskt, begreppet skönhet är ofta förenat med symmetri. I naturen, ingenting symboliserar symmetri mer än kristaller. Sedan deras upptäckt, kristaller har väckt stor uppmärksamhet, inte bara genom deras unika "symmetriska" estetiska tilltalande utan också genom sina unika egenskaper. En av dessa egenskaper är beteendet hos elektroner inuti en kristall. Ur fysisk synvinkel, en elektron i en kristall kan karakteriseras fullt ut av sin energi och en mängd som kallas "kristallmoment, "som avser hur snabbt elektronen rör sig i en kristall. Förhållandet mellan elektronernas energi och kristallmoment är vad forskare kallar" bandstruktur, " som, enkelt uttryckt, är de tillåtna energinivåerna för elektronerna i kristallen.

Nyligen, materialforskare har riktat sin uppmärksamhet mot vad som kallas "plattbandsmaterial" - en klass av material som har en bandstruktur där energin inte varierar med kristallmomentet och därmed liknar en plan linje när den ritas som en funktion av kristallmoment - på grund av deras förmåga att ge upphov till exotiska tillstånd av materia, såsom ferromagnetism (järnliknande spontan magnetism) och supraledning (noll motstånd mot elflöde). Rent generellt, dessa "platta band" observeras i speciella 2-D-strukturer som går under namn som "schackbrätsgitter, "" tärning gitter, "" kagome gitter, "etc. och observeras vanligtvis antingen i kristallen eller på ytan av skiktade material. En relevant fråga ställer sig därför-är det möjligt att bädda in sådana galler i helt nya 2-D-strukturer? Ansträngningar att utforma 2-D-material har fokuserat på att svara på denna fråga, och ett nytt fynd tyder på att svaret är ett "ja".

Nu, i en studie publicerad i Fysisk granskning B som en snabb kommunikation, ett internationellt team av forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), universitetet i Tokyo, Japan Atomic Energy Agency, och Institute for Molecular Science i Japan och Tamkang University i Taiwan, ledd av Dr Antoine Fleurence och Prof. Yukiko Yamada-Takamura, har rapporterat ett möjligt nytt plattbandsmaterial erhållet från germanium (Ge) atomer som ordnar sig i ett 2-D bi-triangulärt gitter på zirkoniumdiborid tunna filmer odlade på germanium-enkristaller. Medan laget redan hade odlat detta 2-D-material för år sedan, de kunde nyligen avslöja dess struktur.

Förra året, en del av teamet publicerade en teoretisk uppsats i samma tidskrift som understryker villkoren för ett 2-D bi-triangulärt gitter som kan bilda ett platt band. De fann att detta är relaterat till ett "kagome" (vilket betyder vävt korgmönster på japanska) gitter - en term som ursprungligen myntades av japanska fysiker på 50 -talet för att studera magnetism. "Jag blev väldigt upphetsad när jag fick reda på att den elektroniska strukturen för kagomegitter kan byggas in i en mycket annorlunda 2-D-struktur, "påminner professor Chi-Cheng Lee, en fysiker vid Tamkang University, Taiwan, involverad i studien, som förutspådde närvaron av platta band i det "bitriangulära" gallret.

Förutsägelsen bekräftades slutligen efter laget, i deras nuvarande studie, kännetecknade det förberedda 2-D-materialet med olika tekniker såsom skanningstunnelmikroskopi, positrondiffraktion, och kärnnivå och vinkelupplöst fotoelektronemission; och säkerhetskopierade experimentella data med teoretiska beräkningar för att avslöja det bakomliggande bi-triangulära gallret.

"Resultatet är riktigt spännande eftersom det visar att platta band kan komma fram även från triviala strukturer och möjligen kan realiseras i många fler material. Vårt nästa steg är att se vad som händer vid låg temperatur, och hur det är relaterat till de plana banden i det Ge-triangulära gallret, säger Dr Fleurence, som också är den första författaren till denna uppsats.

Verkligen, vem skulle ha trott att det är en typisk run-of-the-mill halvledare som germanium kan erbjuda sådana exotiska och aldrig tidigare skådade möjligheter? 2-D-världen kan ha fler överraskningar i ärmen än vi föreställer oss.