Forskare vid University of Bath har tagit ett viktigt steg mot att förstå samspelet mellan lager av atomärt tunna material ordnade i staplar. De hoppas att deras forskning kommer att påskynda upptäckten av nya, konstgjorda material, leder till utformningen av elektroniska komponenter som är mycket mindre och effektivare än något som är känt idag.

Mindre är alltid bättre i världen av elektroniska kretsar, men det finns en gräns för hur långt du kan krympa en kiselkomponent utan att den överhettas och faller isär, och vi är nära att nå det. Forskarna undersöker en grupp atomärt tunna material som kan sättas ihop till staplar. Egenskaperna hos varje slutmaterial beror både på valet av råmaterial och på vinkeln med vilken ett lager är anordnat ovanpå ett annat.

Dr Marcin Mucha-Kruczynski som ledde forskningen från institutionen för fysik, sa:"Vi har hittat ett sätt att bestämma hur starkt atomer i olika lager av en stapel är kopplade till varandra, och vi har demonstrerat tillämpningen av vår idé på en struktur gjord av grafenlager."

The Bath forskning, publiceras i Naturkommunikation , är baserad på tidigare arbete med grafen - en kristall som kännetecknas av tunna skivor av kolatomer arrangerade i en bikakedesign. Under 2018, forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) fann att när två lager av grafen staplas och sedan vrids i förhållande till varandra med den "magiska" vinkeln på 1,1°, de producerar ett material med supraledande egenskaper. Detta var första gången forskare hade skapat ett superledande material gjorda enbart av kol. Dock, dessa egenskaper försvann med den minsta vinkeländringen mellan de två lagren av grafen.

Sedan MIT upptäckten, forskare runt om i världen har försökt tillämpa detta "stapling och vridning"-fenomen på andra ultratunna material, placera samman två eller flera atomärt olika strukturer i hopp om att bilda helt nya material med speciella kvaliteter.

"I naturen, du kan inte hitta material där varje atomlager är olika, " sade Dr. Mucha-Kruczynski. "Och mer, två material kan normalt bara sättas ihop på ett specifikt sätt eftersom kemiska bindningar behöver bildas mellan lagren. Men för material som grafen, endast de kemiska bindningarna mellan atomer på samma plan är starka. Krafterna mellan plan – kända som van der Waals interaktioner – är svaga, och detta gör att lager av material kan vridas i förhållande till varandra."

Utmaningen för forskare nu är att göra processen att upptäcka nya, skiktade material så effektivt som möjligt. Genom att hitta en formel som gör att de kan förutsäga resultatet när två eller flera material staplas, de kommer att kunna effektivisera sin forskning enormt.

Det är i detta område som Dr Mucha-Kruczynski och hans medarbetare vid University of Oxford, Peking University och ELETTRA Synchrotron i Italien förväntar sig att göra skillnad.

"Antalet kombinationer av material och antalet vinklar där de kan vridas är för stort för att testa i labbet, så vad vi kan förutse är viktigt, " sa Dr Mucha-Kruczynski.

Forskarna har visat att interaktionen mellan två lager kan bestämmas genom att studera en trelagersstruktur där två lager sätts ihop som man kan hitta i naturen, medan den tredje är vriden. De använde vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi - en process där kraftfullt ljus skjuter ut elektroner från provet så att energin och rörelsemängden från elektronerna kan mätas, ger därmed insikt i materialets egenskaper - för att bestämma hur starkt två kolatomer på ett givet avstånd från varandra är kopplade. De har också visat att deras resultat kan användas för att förutsäga egenskaper hos andra högar gjorda av samma lager, även om vridningarna mellan lagren är olika.

Listan över kända atomärt tunna material som grafen växer hela tiden. Den innehåller redan dussintals poster som visar ett stort utbud av egenskaper, från isolering till supraledning, transparens för optisk aktivitet, sprödhet till flexibilitet. Den senaste upptäckten tillhandahåller en metod för att experimentellt bestämma interaktionen mellan skikt av något av dessa material. Detta är viktigt för att förutsäga egenskaperna hos mer komplicerade stackar och för effektiv design av nya enheter.

Dr. Mucha-Kruczynski tror att det kan dröja 10 år innan nya staplade och vridna material hittar en praktisk, daglig applikation. "Det tog ett decennium för grafen att flytta från laboratoriet till något användbart i vanlig mening, så med en antydan av optimism, Jag förväntar mig att en liknande tidslinje ska gälla för nya material, " han sa.

Bygger på resultaten av hans senaste studie, Dr. Mucha-Kruczynski och hans team fokuserar nu på vridna stackar gjorda av lager av övergångsmetalldikalkogenider (en stor grupp av material med två mycket olika typer av atomer - en metall och en kalkogen, såsom svavel). Några av dessa stackar har visat fascinerande elektroniskt beteende som forskarna ännu inte kan förklara.

"Eftersom vi har att göra med två radikalt olika material, att studera dessa stackar är komplicerat, " förklarade Dr Mucha-Kruczynski. "Men, vi hoppas att vi med tiden kommer att kunna förutsäga egenskaperna hos olika stackar, och designa nya multifunktionella material."