Utan elektronik och fotonik, det skulle inte finnas några datorer, smartphones, sensorer, eller informations- och kommunikationsteknik. Under de kommande åren, det nya fältet för fononik kan ytterligare utöka dessa alternativ. Det fältet handlar om att förstå och kontrollera gittervibrationer (fononer) i fasta ämnen. För att realisera fononiska enheter, dock, gittervibrationer måste kontrolleras så exakt som vanligen realiseras när det gäller elektroner eller fotoner.

Foniska kristaller

Den viktigaste byggstenen för en sådan enhet är en fononisk kristall, en artificiellt tillverkad struktur där egenskaper som styvhet, massa eller mekanisk belastning varierar periodiskt. Foniska enheter används som akustiska vågledare, fonon linser, och vibrationsskärmar och kan komma att realisera mekaniska Qubits i framtiden. Dock, tills nu, dessa system arbetade med fasta vibrationsfrekvenser. Det var inte möjligt att ändra deras vibrationslägen på ett kontrollerat sätt.

Periodiskt hålmönster i grafen

Nu, för första gången, ett team vid Freie Universität Berlin och HZB har visat denna kontroll. De använde grafen, en form av kol där kolatomerna sammankopplas tvådimensionellt för att bilda en platt bikakestruktur. Med hjälp av en fokuserad stråle av heliumjoner, teamet kunde skära ett periodiskt mönster av hål i grafenet. Denna metod är tillgänglig på CoreLab CCMS (Korrelativ mikroskopi och spektroskopi). "Vi var tvungna att optimera processen mycket för att skära ett vanligt mönster av hål i grafenytan utan att röra angränsande hål, "Dr Katja Höflich, gruppledare vid Ferdinand-Braun-Institut Berlin och gästforskare vid HZB, förklarar.

Bandgap och tunbarhet

Jan N. Kirchhof, första författaren till studien som nu publicerats i Nanobokstäver , beräknade vibrationsegenskaperna hos denna fononiska kristall. Hans simuleringar visar att i ett visst frekvensområde är inga vibrationslägen tillåtna. Analoger till den elektroniska bandstrukturen i fasta ämnen, detta område är ett mekaniskt bandgap. Detta bandgap kan användas för att lokalisera individuella lägen för att skydda dem från miljön. Vad är speciellt här:"Simuleringen visar att vi kan ställa in det fononiska systemet snabbt och selektivt, från 50 megahertz till 217 megahertz, via applicerat mekaniskt tryck, inducerad av en grindspänning." säger Jan Kirchhof.

Framtida applikationer

"Vi hoppas att våra resultat kommer att driva fononikområdet ytterligare. Vi förväntar oss att upptäcka en del grundläggande fysik och utveckla teknologier som kan leda till tillämpning i t.ex. ultrakänsliga fotosensorer eller till och med kvantteknologier, " förklarar professor Kirill Bolotin, chef för FU:s arbetsgrupp. De första experimenten med de nya fononiska kristallerna från HZB är redan igång i hans grupp.