I cirka 50 år har forskare arbetat för att utnyttja Bloch-svängningar, en exotisk sorts beteende av elektroner som kan introducera ett nytt fysikfält – och viktiga nya teknologier – ungefär som mer konventionellt elektroniskt beteende har lett till allt från smarta klockor till datorer som är kraftfulla nog att ta oss till månen.

Nu, MIT-fysiker rapporterar om ett nytt tillvägagångssätt för att uppnå Bloch-svängningar i nyligen introducerade grafen-supergitter. grafen, ett material som består av ett enda lager av kolatomer ordnade i hexagoner som liknar en bikakestruktur, är en utmärkt ledare för el. Dess elektroniska egenskaper genomgår en intressant transformation i närvaro av ett "elektriskt nät" (en periodisk potential), vilket resulterar i nya typer av elektronbeteende som inte ses i orörda material. I ett färskt nummer av Fysiska granskningsbrev , forskarna skisserar varför grafen-supergitter kan vara spelväxlare i jakten på Bloch-svängningar.

I vanliga fall, elektroner som utsätts för ett konstant elektriskt fält accelererar i en rät linje. Dock, kvantmekaniken förutspår att elektroner i en kristall, eller material som består av atomer ordnade på ett ordnat sätt, kan bete sig annorlunda. Vid exponering för ett elektriskt fält, de kan svänga i små vågor – Bloch-svängningar. "Detta överraskande beteende är ett ikoniskt exempel på koherent dynamik i kvantsystem med många kroppar, säger Leonid Levitov, en MIT -professor i fysik och ledare för det aktuella arbetet. Levitov är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.

Ytterligare författare är Ali Fahimniya och Zhiyu Dong, båda MIT doktorander i fysik, och Egor I. Kiselev från Karlsruher Institut fur Technologie.

Mot nya applikationer

Viktigt, Bloch-svängningar inträffar vid ett frekvensvärde som är detsamma för alla elektroner och som kan avstämmas av det pålagda elektriska fältet. Ytterligare, typiska frekvensvärden – i terahertzområdet, eller biljoner cykler per sekund – är i det intervall som är svårt att komma åt på konventionellt sätt. Dagens elektronik och optik fungerar vid frekvenser under och över terahertz, respektive. "Terahertz -frekvenser är något däremellan, och vi drar inte lika mycket nytta av dem som från resten av spektrumet, "Säger Levitov." Om vi ​​enkelt kunde komma åt dem, det kan finnas många applikationer, allt från bättre icke-invasiv säkerhetsskanning på flygplatser till nya elektronikdesigner."

På grund av den intressanta fysiken och potentiella tillämpningar av Bloch-svängningar, under åren har många forskare försökt påvisa beteendet. Bloch oscillationer, dock, är mycket känsliga för spridningsprocesser i materialet på grund av gittervibrationer (fononer) och oordning. Som ett resultat, även om tidigare arbete som syftade till att skapa Bloch-svängningar var extremt viktigt - ett tillvägagångssätt, förlitar sig på halvledande supergitter, ledde till ett Nobelpris och moderna solid-state-lasrar – det fick endast begränsad framgång mot sitt ursprungliga mål. "Folk såg signaturer av Bloch-svängningar i dessa system, men inte på den nivå som skulle vara användbar för något praktiskt. Det var oundvikligen en viss utfasning, vilket visade sig vara ganska fördömande [för fenomenet], " säger Levitov.

Ett nytt material

Ange ett nytt material som kallas moirégrafen. Pionjär vid MIT av fysikprofessor Pablo Jarillo-Herrero, moirégrafen är sammansatt av två ark av atomärt tunna lager av grafen placerade ovanpå varandra och roterade i en liten vinkel. "Och enligt teorin, detta material borde vara en idealisk kandidat för att se Bloch-svängningar, "Säger Levitov. I den senaste tidningen, han och kollegor analyserade materialets parametrar som påverkar hur elektroner rör sig i det och hur lite oordning det har, och "vi visar att på alla konton, moirégrafen är lika bra som de halvledande supergittren, eller bättre."

Vidare, andra tilltalande varianter av supergaller har dykt upp nyligen, involverar grafen parat med hexagonal bornitrid, eller med mönstrade dielektriska supergitter. Bland ytterligare fördelar, grafen supergitter är mycket lättare att göra än de komplicerade strukturerna som är nyckeln till det tidigare arbetet. "De här systemen producerades av endast ett fåtal högt kvalificerade grupper runt om i världen, " säger Levitov. Moiré-grafen tillverkas redan av flera grupper bara i USA, och många fler över hela världen.

Till sist, Levitov och kollegor säger, moiré graphene uppfyller ett annat viktigt kriterium för att göra Bloch -svängningar praktiska. Medan elektronerna som är involverade i svängningarna gör det vid samma terahertz-frekvens, utan lite hjälp gör de det självständigt. Nyckeln är att få dem att svänga synkront. "Om du kan göra det, då går du från i huvudsak ett enelektronfenomen till makroskopiska svängningar som kommer att vara lätta att upptäcka och mycket användbara eftersom de kommer att bli en källa till makroskopisk ström, " säger Levitov. Forskarna tror att elektronerna i moirégrafen borde vara ganska mottagliga för synkronisering med standardtekniker.

Dmitri Basov, Higgins professor och professor i fysik vid Columbia University, kommentarer, "Som många andra förutsägelser av Leonid Levitov och hans team, detta nya resultat på Bloch-svängningar kommer säkerligen att motivera många experimentella studier. Jag förutspår att det inte kommer att vara lätt att observera Bloch -svängningar i moiré flatbandsystem, men vi kommer säkert att försöka." Basov var inte inblandad i arbetet som rapporterades i Fysiska granskningsbrev .

Levitov är exalterad över att fortsätta arbetet, som kommer att omfatta MIT-studenter. "Den bästa delen av detta kommer senare när vi ser experimentella resultat som bevisar idén, " han säger.