Fysiker vid Utrecht University har skapat en 'kvantsimulator, 'ett modellsystem för att studera teoretiska prognoser för en helt ny klass av material. Dessa "supermaterial" inkluderar grafen, som har en tvådimensionell struktur och unika egenskaper. Experimenten i Utrecht bekräftar inte bara de teoretiska fysikernas förutsägelser, men gav också nya insikter. De har upptäckt att vid högre energinivåer, ett enkelt rektangulärt gitter har egenskaper som normalt bara observeras i exotiska material. Resultaten av deras forskning publiceras i Naturfysik den 24 april 2017.

Materialets egenskaper bestäms av de atomer som det består av, och hur de är organiserade. Beräkningar utförda av teoretiska fysiker visar att i vissa tvådimensionella strukturer, atomer kan organiseras på ett sådant sätt att ett brett spektrum av superegenskaper kan uppnås. Tills nu, denna forskning har begränsats till teoretiska förutsägelser - många av de gitter som fysikerna kom på fanns helt enkelt inte i naturen, De har inte heller producerats i laboratoriet. Dock, med den metod som utvecklats av fysikerna i Utrecht, dessa resultat kan nu testas experimentellt.

Tvådimensionell elektronkristall

"Grundtanken är att vi kan göra en tvådimensionell kristall av elektroner i vilken form vi vill, "förklarar forskningsledaren Ingmar Swart." Det gör att vi exakt kan bestämma egenskaperna hos kristallen, vilket gör att vi kan utföra experiment på många av de idéer som våra teoretiska kollegor lägger fram. "

Swart och hans team har skapat ett sådant gitter några tiotal nanometer breda på en kopparkristall. Kristallens yta innehåller ett stort antal elektroner, som tvingas till vissa positioner på ytan genom att bygga ett galler av kolmonoxidmolekyler med atomprecision. "Hur vi gör det kan jämföras med ett finger som skjuter ett pepparmyntsgodis fram och tillbaka över ett bord. Men i det här fallet, fingret är en nål med en spets som inte är större än en enda atom, "Förklarar Swart.

Resultaten hittills visar att de teoretiska förutsägelserna är ganska korrekta. Dock, experimenten har också avslöjat ett fenomen som de teoretiska fysikerna ännu inte hade övervägt, och som kan presentera nya applikationer.

Vid högre energinivåer, ett enkelt rektangulärt rutnät verkar förvandlas till en struktur som kallas ett 'Lieb -gitter'. "Detta Lieb-gitter är det verkliga gitteret för vissa högtemperatur-superledare. Det är därför viktigt att vi förstår egenskaperna och beteendet hos elektroner i detta gitter, "förklarar teoretiska fysikern prof. Cristiane Morais Smith.

Det finns fortfarande en lång väg att gå från detta modellsystem till nya supermaterial som grafen. "Men vårt system är en slags" kvantsimulator, 'som vi kan använda för att testa nya teoretiska idéer med optimal flexibilitet, säger Morais Smith.