Forskare vid University of Wisconsin-Madison har upptäckt ett sätt att kontrollera tillväxten av vridning, mikroskopiska spiraler av material bara en atom tjocka.

De ständigt vridande staplarna av tvådimensionella material byggda av ett team ledd av UW-Madison kemiprofessor Song Jin skapar nya egenskaper som forskare kan utnyttja för att studera kvantfysik på nanoskala. Forskarna publicerade sitt arbete i dag i tidskriften Vetenskap .

"Detta är den nuvarande gränsen för 2D-materialforskning. Under de senaste åren, forskare har insett att när du gör en liten vridning mellan atomlagren - vanligtvis några grader - skapar du mycket intressanta fysiska egenskaper, såsom okonventionell supraledning. Till exempel, det vridna materialet förlorar sitt elektriska motstånd helt vid den låga temperaturen, " säger Jin. "Forskare överväger dessa 2-D-kvantmaterial, och kalla sådant arbete 'twistronics'."

Yuzhou Zhao, en doktorand och första författare till studien, säger att standardpraxis för att göra tvinnade tvådimensionella strukturer har mekaniskt staplat två ark av de tunna materialen ovanpå varandra och noggrant kontrollerat vridningsvinkeln mellan dem för hand. Men när forskare odlar dessa 2D-material direkt, de kan inte styra vridningsvinkeln eftersom interaktionerna mellan lagren är mycket svaga.

"Föreställ dig att göra en bunt med ständigt vridande spelkort. Om du har smidiga fingrar, du kan vrida korten, men vår utmaning är hur man får atomlagren att vrida sig på ett kontrollerbart sätt av sig själva på nanoskala, " säger Jin.

Jins team tog reda på hur man kontrollerar tillväxten av dessa vridande nanoskalastrukturer genom att tänka utanför den euklidiska geometrins platta utrymme.

Euklidisk geometri utgör den matematiska grunden för den värld vi är bekanta med. Det låter oss tänka på världen i platta plan, raka linjer och räta vinklar. I kontrast, icke-euklidisk geometri beskriver krökta utrymmen där linjer är krökta och summan av vinklarna i en kvadrat inte är 360 grader. Vetenskapliga teorier som förklarar rymdtidskontinuum, som Einsteins allmänna relativitetsteori, använda icke-euklidisk geometri som berggrund. Tänker på kristallstrukturer utanför euklidisk geometri, Jin säger, öppnar spännande nya möjligheter.

Zhao och Jin skapade vridna spiraler genom att dra fördel av en typ av ofullkomlighet i växande kristaller som kallas skruvdislokationer. Jin har studerat sådan dislokationsdriven kristalltillväxt i flera år och hade använt den för att förklara, till exempel, tillväxten av nanotrådsträd. I 2-D-material, dislokationerna ger ett steg upp för efterföljande lager av strukturen eftersom den spiralformar som en parkeringsramp med alla lager i hela stapeln anslutna, anpassa orienteringen för varje lager.

Sedan, för att odla en icke-euklidisk spiralstruktur och få spiralerna att vrida sig, Jins team förändrade grunden som deras spiraler växte från. Istället för att växa kristaller på ett plant plan, Zhao placerade en nanopartikel, som en partikel av kiseloxid, under spiralens centrum. Under tillväxtprocessen, partikeln stör den plana ytan och skapar en krökt grund för 2D-kristallen att växa på.

Vad teamet fann är att istället för en inriktad spiral där kanten på varje lager ligger parallellt med föregående lager, 2D-kristallen bildar en kontinuerlig vridning, flerskiktsspiral som vrider sig förutsägbart från ett lager till nästa. Vinkeln på mellanskiktsvridningen uppstår från en oöverensstämmelse mellan de plana (euklidiska) 2D-kristallerna och de krökta (icke-euklidiska) ytorna de växer på.

Zhao kallar mönstret där spiralstrukturen växer direkt över nanopartikeln, skapa en konformad bas, en "fast spiral". När strukturen växer över en nanopartikel utanför centrum, som ett hus byggt på sidan av ett berg, det är ett "olåst spiralmönster". Zhao utvecklade en enkel matematisk modell för att förutsäga spiralernas vridningsvinklar, baserat på den krökta ytans geometriska form, och hans modellerade spiralformer matchar väl med de odlade strukturerna.

Efter den första upptäckten, UW-Madison professor i materialvetenskap och teknik Paul Voyles och hans student Chenyu Zhang studerade spiralerna under ett elektronmikroskop för att bekräfta atomerna i dessa vridna spiraler. Deras bilder visade att atomer i närliggande vridna lager bildar ett förväntat överlappande interferensmönster som kallas ett moirémönster, som också ger finskiktade sidenkläder sin glans och krusning. Emeritus kemiprofessor John Wright och hans labb genomförde preliminära studier som tyder på potentialen för ovanliga optiska egenskaper hos de vridande spiralerna.

Forskarna använde dikalkogenider av övergångsmetall som skikt för de vridande spiralerna, men konceptet beror inte på specifika material, så länge de är 2D-material.

"Vi kan nu följa en rationell modell förankrad i matematik för att skapa en bunt med dessa 2-D-lager med en kontrollerbar vridningsvinkel mellan varje lager, och de är kontinuerliga, " säger Zhao.

Direkt syntes av vridna 2-D-material kommer att möjliggöra studier av ny kvantfysik i dessa 2-D "twistroniska" material, som Jin och hans medarbetare driver på allvar.

"När du ser att allt passar perfekt med en enkel matematisk modell och du tänker, 'Wow, det här går verkligen, ' den typen av glädje är anledningen till att vi arbetar med forskning - det där "eureka"-ögonblicket när du inser att du nu lär dig något som ingen annan har förstått tidigare, " säger Jin.