Layered van der Waals material är av stort intresse för elektroniska och fotoniska applikationer, enligt forskare vid Penn State och SLAC National Accelerator Laboratory, i Kalifornien, som ger nya insikter om interaktioner mellan skiktade material och laser- och elektronstrålar.

Tvådimensionella van der Waals-material är sammansatta av starkt bundna skikt av molekyler med svag bindning mellan skikten.

Forskarna använde en kombination av ultrasnabba pulser av laserljus som exciterar atomerna i ett materialgitter av galliumtellurid, följt av att utsätta gittret för en ultrasnabb puls av en elektronstråle. Detta visar gittervibrationerna i realtid med hjälp av elektrondiffraktion och kan leda till en bättre förståelse av dessa material.

"Detta är en ganska unik teknik, " sa Shengxi Huang, biträdande professor i elektroteknik och motsvarande författare till en artikel i ACS Nano som beskriver deras arbete. "Syftet är att helt förstå gittervibrationerna, inklusive i planet och utanför planet."

En av de intressanta observationerna i deras arbete är brottet mot en lag som gäller alla materiella system. Friedels lag hävdar att i diffraktionsmönstret, paren av centrosymmetriska Bragg-toppar ska vara symmetriska, direkt resultat av Fourier-transformation. I detta fall, dock, paren av Bragg-topparna visar motsatta oscillerande mönster. De kallar detta fenomen för det dynamiska brytandet av Friedels lag. Det är en mycket sällsynt om inte aldrig tidigare skådad observation i samspelet mellan strålarna och dessa material.

"Varför ser vi ett brott mot Friedels lag?" Hon sa. "Det är på grund av gitterstrukturen hos detta material. I skiktade 2D-material, atomerna i varje lager är typiskt inriktade mycket väl i vertikal riktning. I galliumtellurid, atominriktningen är lite fel."

När laserstrålen lyser på materialet, uppvärmningen genererar det lägsta ordningens längsgående akustiska fononläge, vilket skapar en vingeffekt för gallret. Detta kan påverka hur elektroner diffrakterar i gittret, leder till det unika dynamiska brottet mot Friedels lag.

Denna teknik är också användbar för att studera fasförändringsmaterial, som absorberar eller utstrålar värme under fasbyte. Sådana material kan generera den elektrokaloriska effekten i solid state-kylskåp. Denna teknik kommer också att vara intressant för människor som studerar konstigt strukturerade kristaller och den allmänna 2D-materialgemenskapen.