Människor har studerat elektrisk laddning i tusentals år, och resultaten har format den moderna civilisationen. Vår vardag är beroende av elektrisk belysning, smartphones, bilar, och datorer, på sätt som de första individerna som noterade en statisk chock eller ett blixtnedslag aldrig hade kunnat föreställa sig.

Nu, fysiker på Northeastern har upptäckt ett nytt sätt att manipulera elektrisk laddning. Och förändringarna i framtiden för vår teknik kan vara monumentala.

"När sådana fenomen upptäcks, fantasin är gränsen, "säger Swastik Kar, docent i fysik. "Det kan förändra vårt sätt att upptäcka och kommunicera signaler. Det kan förändra hur vi kan känna saker och lagra information, och möjligheter som vi kanske inte ens har tänkt på ännu. "

Möjligheten att röra sig, manipulera, och lagra elektroner är nyckeln till den stora majoriteten av modern teknik, oavsett om vi försöker få energi från solen eller spela Plants vs.Zombies på vår telefon. I ett papper publicerat i Nanoskala , forskarna beskrev ett sätt att få elektroner att göra något helt nytt:Fördela sig jämnt i en stationär, kristallint mönster.

"Jag är frestad att säga att det nästan är som en ny fas av materia, "Säger Kar." För det är bara rent elektroniskt. "

Fenomenet dök upp medan forskarna körde experiment med kristallina material som bara är några få atomer tjocka, känd som 2-D-material. Dessa material består av ett upprepande mönster av atomer, som en oändlig schackbräda, och är så tunna att elektronerna i dem bara kan röra sig i två dimensioner.

Att stapla dessa ultratunna material kan skapa ovanliga effekter när lagren interagerar på kvantnivå.

Kar och hans kollegor undersökte två sådana 2-D-material, vismutselenid och en övergångsmetalldikalkogenid, skiktade ovanpå varandra som pappersark. Det var då saker började bli konstiga.

Elektroner bör avvisa varandra - de är negativt laddade, och gå bort från andra negativt laddade saker. Men det är inte vad elektronerna i dessa lager gjorde. De bildade ett stationärt mönster.

"I vissa vinklar, dessa material verkar bilda ett sätt att dela sina elektroner som slutar bilda detta geometriskt periodiska tredje gitter, "Säger Kar." En perfekt repeterbar uppsättning rena elektroniska pölar som ligger mellan de två lagren. "

I början, Kar antog att resultatet var ett misstag. De kristallina strukturerna i 2-D-material är för små för att direkt observeras, så fysiker använder speciella mikroskop som avfyrar elektronstrålar istället för ljus. När elektronerna passerar genom materialet, de stör varandra och skapar ett mönster. Det specifika mönstret (och en massa matematik) kan användas för att återskapa formen på 2-D-materialet.

När det resulterande mönstret avslöjade ett tredje lager som inte kunde komma från någon av de andra två, Kar tyckte att något hade gått fel i skapandet av materialet eller i mätprocessen. Liknande fenomen har observerats tidigare, men bara vid extremt låga temperaturer. Kars observationer var vid rumstemperatur.

"Har du någonsin gått in på en äng och sett ett äppelträd med mango hängande från det?" Frågar Kar. "Naturligtvis trodde vi att något var fel. Det här kunde inte hända."

Men efter upprepade tester och experiment ledda av doktoranden Zachariah Hennighausen, deras resultat förblev desamma. Det fanns ett nytt mönster i gitterstil med laddade fläckar som uppträdde mellan 2-D-materialen. Och det mönstret förändrades med orienteringen av de två smörgåsskikten.

När Kar och hans team hade arbetat med den experimentella undersökningen, Arun Bansil, en universitetsexpert i fysik vid Northeastern, och doktoranden Chistopher Lane undersökte de teoretiska möjligheterna, för att förstå hur detta kan hända.

Elektroner i ett material studsar alltid runt, Bansil förklarar, när de dras av de positivt laddade atomkärnorna och avvisas av andra negativt laddade elektroner. Men i det här fallet, något om hur dessa laddningar läggs ut är att samla elektroner i ett specifikt mönster.

"De producerar dessa regioner där det finns, om du vill, diken av något slag i det potentiella landskapet, som är tillräckligt för att tvinga dessa elektroner att skapa dessa laddningspölar, "Bansil säger." Den enda anledningen till att elektroner kommer att bilda till vattenpölar är att det finns ett potentiellt hål där. "

Dessa diken, så att säga, skapas av en kombination av kvantmekaniska och fysiska faktorer, Säger Bansil.

När två upprepade mönster eller rutnät är förskjutna, de kombineras för att skapa ett nytt mönster (du kan replikera detta hemma genom att överlappa tänderna på två platta kammar). Varje 2-D-material har en upprepande struktur, och forskarna visade att mönstret som skapas när dessa material staplas avgör var elektroner kommer att hamna.

"Det är där det blir kvantemekaniskt gynnsamt för pölarna att bo, "Säger Kar." Det styr nästan de elektronpölarna att stanna kvar där och ingen annanstans. Det är fascinerande. "

Medan förståelsen av detta fenomen fortfarande är i sin linda, det har potential att påverka framtidens elektronik, avkännings- och detektionssystem, och informationsbehandling.

"Spänningen vid denna tidpunkt är att kunna demonstrera något som människor aldrig trodde skulle kunna existera vid rumstemperatur tidigare, "Säger Kar." Och nu, himlen är gränsen när det gäller hur vi kan utnyttja den. "