Forskare vid University of Pennsylvania är nu bland de första att producera en enda, tre-atom-tjockt lager av ett unikt tvådimensionellt material som kallas volfram ditellurid. Deras resultat har publicerats i 2-D material .

Till skillnad från andra tvådimensionella material, forskare tror att volfram ditellurid har det som kallas topologiska elektroniska tillstånd. Det betyder att den kan ha många olika egenskaper inte bara en.

När man tänker på tvådimensionella material, grafen är förmodligen det första jag tänker på.

De tätt packade, atomtunt kolark som först producerades 2004 har inspirerat otaliga vägar inom forskning som kan revolutionera allt från teknik till dricksvatten.

En av de viktigaste egenskaperna hos grafen är att det är det som kallas en nollbandgap halvledare genom att den kan bete sig som både en metall och en halvledare.

Men det finns massor av andra egenskaper som 2-D-material kan ha. Vissa kan isolera, andra kan avge ljus och andra kan vara spintronic, vilket betyder att de har magnetiska egenskaper.

"Grafen är bara grafen, "sa A.T. Charlie Johnson, en fysikprofessor vid Penn's School of Arts &Sciences. "Det gör bara vad grafen gör. Om du vill ha fungerande system som är baserade på 2-D-material, då vill du ha 2-D-material som har alla de olika fysikaliska egenskaper som vi känner till. "

Förmågan hos 2-D-material att ha topologiska elektroniska tillstånd är ett fenomen som var föregångare av Charles Kane, Christopher H. Browne Distinguished Professor of Physics vid Penn.

I denna nya forskning, Johnson, fysikprofessorn James Kikkawa och doktoranderna Carl Naylor och William Parkin kunde producera och mäta egenskaperna hos ett enda lager volfram ditellurid.

"Eftersom volfram ditellurid är tre atomer tjocka, atomerna kan ordnas på olika sätt, "Johnson sa." Dessa tre atomer kan anta lite olika konfigurationer med avseende på varandra. En konfiguration förutses ge dessa topologiska egenskaper. "

Marija Drndi ?, Fay R. och Eugene L. Langberg professor i fysik; Andrew Rappe, Blanchardprofessorn i kemi och en professor i materialvetenskap och teknik vid School of Engineering and Applied Science, och Robert Carpick, John Henry Towne -professor och ordförande för Institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik, bidragit också till forskningen.

"Det är mycket en Penn -produkt, "Johnson sa." Vi samarbetar med flera andra fakultetsmedlemmar som undersöker materialet på sina egna sätt, och vi samlade allt för att lägga ut ett papper där ute. Alla följer med på resan. "

Forskarna kunde odla detta material med hjälp av en process som kallas kemisk ångavsättning. Med hjälp av en varmrörsugn, de värmde ett chip innehållande volfram till rätt temperatur och introducerade sedan en ånga innehållande tellur.

"Genom lycka och att hitta exakt rätt förutsättningar, dessa element reagerar kemiskt och kombineras för att bilda ett monoskikt, eller tre atomtjocka områden av detta material, "Sa Johnson.

Även om detta material bryts ned extremt snabbt i luft, Naylor, tidningens första författare, funderat ut sätt att skydda materialet så att det kunde studeras innan det förstördes.

En sak forskarna fann är att materialet växer i små rektangulära kristalliter, snarare än trianglarna som andra material växer i.

"Detta återspeglar den rektangulära symmetrin i materialet, "Johnson sa." De har en annan struktur så de tenderar att växa i olika former. "

Även om forskningen fortfarande är i sin början och forskarna ännu inte har kunnat producera en kontinuerlig film, de hoppas kunna genomföra experiment för att visa att den har de topologiska elektroniska egenskaperna som förutses.

En egenskap hos dessa topologiska system är att all ström som färdas genom materialet endast skulle bäras på kanterna, och ingen ström skulle färdas genom materialets mitt. Om forskare kunde producera ettskikttjocka material med denna egenskap, de kan kanske leda en elektrisk signal för att gå till olika platser.

Materialets förmåga att ha flera egenskaper kan också ha konsekvenser för kvantberäkning, som utnyttjar kraften hos atomer och subatomära fenomen för att utföra beräkningar betydligt snabbare än nuvarande datorer. Dessa 2-D-material kan möjliggöra en i sig feltolerant form av kvantberäkning som kallas topologiskt skyddad kvantberäkning, vilket kräver både halvledande och supraledande material.

"Med dessa 2-D-material, du vill förverkliga så många fysiska egenskaper som möjligt, "Johnson sa." Topologiska elektroniska tillstånd är intressanta och de är nya och därför har många försökt förverkliga dem i ett 2-D-material. Vi skapade materialet där dessa förutses ske, så i den meningen har vi gått mot detta mycket stora mål på fältet. "