Genom magiska vridvinklar och unika energitillstånd, det är möjligt att designa skräddarsytt, atomärt tunna material som kan vara ovärderliga för framtida elektronik. Nu, forskare vid Chalmers tekniska högskola, Sverige, och Regensburg University i Tyskland har belyst den ultrasnabba dynamiken i dessa nya material. Resultaten publicerades nyligen i den prestigefyllda tidskriften Naturmaterial .

Föreställ dig att du bygger en energieffektiv och supertunn solcell. Du har ett material som leder ström och ett annat som absorberar ljus. Du måste därför använda båda materialen för att uppnå önskade egenskaper, och resultatet kanske inte blir så tunt som du hoppats.

Föreställ dig nu istället att du har atomärt tunna lager av varje material, som man lägger ovanpå varandra. Du vrider ett lager mot det andra en viss mängd, och plötsligt bildas en ny anslutning, med speciella energitillstånd – kända som interlagerexcitoner – som finns i båda lagren. Du har nu ditt önskade material på en atomärt tunn nivå.

Ermin Malic, forskare vid Chalmers tekniska högskola, i samarbete med tyska forskarkollegor kring Rupert Huber vid Regensburg University, har nu lyckats visa hur snabbt dessa tillstånd bildas och hur de kan ställas in genom vridningsvinklar. Stapling och vridning av atomärt tunna material som legoklossar, till nya material som kallas "heterostrukturer", är ett forskningsområde som fortfarande är i början.

"Dessa heterostrukturer har en enorm potential, eftersom vi kan designa skräddarsydda material. Tekniken kan användas i solceller, flexibel elektronik, och till och med möjligen i kvantdatorer i framtiden, " säger Ermin Malic, Professor vid institutionen för fysik på Chalmers.

Ermin Malic och hans doktorander Simon Ovesen och Samuel Brem samarbetade nyligen med forskare vid Regensburg University. Den svenska gruppen har ansvarat för den teoretiska delen av projektet, medan de tyska forskarna genomförde experimenten. För första gången, med hjälp av unika metoder, de lyckades avslöja hemligheterna bakom den ultrasnabba bildningen och dynamiken hos interlagerexcitoner i heterostrukturmaterial. De använde två olika lasrar för att följa händelseförloppet. Genom att vrida atomärt tunna material mot varandra, de har visat att det är möjligt att kontrollera hur snabbt excitondynamiken inträffar.

"Detta framväxande forskningsfält är lika fascinerande och intressant för akademin som för industrin, " säger Ermin Malic. Han leder Chalmers grafencentrum, som samlar forskning, utbildning och innovation kring grafen, andra atomärt tunna material och heterostrukturer under ett gemensamt paraply.

Dessa typer av lovande material är kända som tvådimensionella (2-D) material, eftersom de bara består av ett atomärt tunt lager. På grund av deras anmärkningsvärda egenskaper, de anses ha stor potential inom olika teknikområden. grafen, som består av ett enda lager av kolatomer, är det mest kända exemplet. Det börjar tillämpas inom industrin, till exempel i supersnabba och mycket känsliga detektorer, flexibla elektroniska enheter och multifunktionella material inom bilindustrin, flyg- och förpackningsindustrin.

Men grafen är bara ett av många 2D-material som kan vara till stor nytta för vårt samhälle. Det diskuteras för närvarande mycket om heterostrukturer som består av grafen kombinerat med andra 2D-material. På bara kort tid, forskning om heterostrukturer har gjort stora framsteg, och journalen Natur har nyligen publicerat flera banbrytande artiklar inom detta forskningsfält.

På Chalmers, flera forskargrupper arbetar i framkanten av grafen. Graphene Center satsar nu på ny infrastruktur för att kunna bredda forskningsområdet till att även omfatta andra 2D-material och heterostrukturer.

"Vi vill etablera ett starkt och dynamiskt nav för 2D-material här på Chalmers, så att vi kan bygga broar till industrin och se till att vår kunskap kommer samhället till nytta, säger Ermin Malic.

Pappret, publiceras i Naturmaterial , har titeln "Ultrasnabb övergång mellan excitonfaser i van der Waals heterostrukturer."