grafen, ett enatomtjockt lager av kol, har skapat mycket forskning om dess unika elektroniska, optiska och mekaniska egenskaper. Nu, forskare vid MIT har hittat en annan förening som delar många av grafens ovanliga egenskaper - och i vissa fall har intressanta komplementära egenskaper till detta mycket omtalade material.

Materialet, en tunn film av vismut-antimon, kan ha en mängd olika kontrollerbara egenskaper, forskarna fann, beroende på omgivningens temperatur och tryck, materialets tjocklek och orienteringen av dess tillväxt. Forskningen, utförd av materialvetenskap och teknik doktorand Shuang Tang och institutprofessor Mildred Dresselhaus, dyker upp i journalen Nanobokstäver .

Som grafen, det nya materialet har elektroniska egenskaper som är kända som tvådimensionella Dirac-koner, en term som hänvisar till den konformade grafen som plottar energi kontra momentum för elektroner som rör sig genom materialet. Dessa ovanliga egenskaper - som tillåter elektroner att röra sig på ett annat sätt än vad som är möjligt i de flesta material - kan ge vismut-antimonfilmerna egenskaper som är mycket önskvärda för tillämpningar vid tillverkning av nästa generations elektroniska chips eller termoelektriska generatorer och kylare.

I sådana material, Tang säger, elektroner "kan färdas som en ljusstråle, ” potentiellt möjliggör nya marker med mycket snabbare beräkningsförmåga. Elektronflödet kan i vissa fall vara hundratals gånger snabbare än i konventionella kiselchips, han säger.

Liknande, i en termoelektrisk tillämpning - där en temperaturskillnad mellan två sidor av en enhet skapar ett flöde av elektrisk ström - den mycket snabbare rörelsen av elektroner, i kombination med starka värmeisolerande egenskaper, skulle kunna möjliggöra mycket effektivare kraftproduktion. Detta kan visa sig användbart för att driva satelliter genom att utnyttja temperaturskillnaden mellan deras solbelysta och skuggiga sidor, säger Tang.

Sådana ansökningar förblir spekulativa vid denna tidpunkt, Dresselhaus säger, eftersom ytterligare forskning behövs för att analysera ytterligare egenskaper och så småningom testa prover av materialet. Denna initiala analys baserades mest på teoretisk modellering av vismut-antimonfilmens egenskaper.

Tills denna analys genomfördes, Dresselhaus säger, "vi har aldrig tänkt på att vismut" har potentialen för Dirac-konegenskaper. Men nya oväntade fynd som involverade en klass av material som kallas topologiska isolatorer antydde något annat:Experiment utförda av en ukrainsk samarbetspartner antydde att Dirac-konegenskaper kan vara möjliga i vismut-antimonfilmer.

Även om det visar sig att de tunna filmerna av vismut-antimon kan ha vissa egenskaper som liknar grafenens, Genom att ändra förutsättningarna kan också en mängd andra egenskaper realiseras. Det öppnar för möjligheten att designa elektroniska enheter gjorda av samma material med varierande egenskaper, avsatt ett lager ovanpå ett annat, snarare än lager av olika material.

Materialets ovanliga egenskaper kan variera från en riktning till en annan:Elektroner som rör sig i en riktning kan följa den klassiska mekanikens lagar, till exempel, medan de som rör sig i en vinkelrät riktning lyder relativistisk fysik. Detta skulle kunna göra det möjligt för enheter att testa relativistisk fysik på ett billigare och enklare sätt än befintliga system, Tang säger, även om detta återstår att visa genom experiment.

"Ingen har gjort några enheter ännu" från det nya materialet, Dresselhaus varnar, men tillägger att principerna är tydliga och att den nödvändiga analysen bör ta mindre än ett år att genomföra.

"Vad som helst kan hända, vi vet verkligen inte, säger Dresselhaus. Sådana detaljer återstår att stryka ut, hon säger, tillägger:"Många mysterier kvarstår innan vi har en riktig enhet."

Joseph Heremans, en professor i fysik vid Ohio State University som inte var involverad i denna forskning, säger att även om vissa ovanliga egenskaper hos vismut har varit kända under lång tid, "Det som är förvånande är rikedomen i systemet som beräknats av Tang och Dresselhaus. Skönheten i denna förutsägelse förstärks ytterligare av det faktum att systemet är experimentellt ganska tillgängligt."

Heremans tillägger att i ytterligare forskning om egenskaperna hos vismut-antimonmaterialet, "det kommer att finnas svårigheter, och några är redan kända, " men han säger att egenskaperna är tillräckligt intressanta och lovande för att "denna uppsats borde stimulera en stor experimentell ansträngning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.