Kvantmaterial har genererat stort intresse för datortillämpningar under de senaste decennierna, men icke-triviala kvantegenskaper – som supraledning eller magnetiskt spinn – förblir i bräckliga tillstånd.
"När man designar kvantmaterial är spelet alltid en kamp mot oordning", säger Robert Hovden, docent i materialvetenskap och teknik vid University of Michigan.
Värme är den vanligaste formen av störning som stör kvantegenskaper. Kvantmaterial uppvisar ofta endast exotiska fenomen vid mycket låga temperaturer när atomen nästan slutar att vibrera, vilket gör att de omgivande elektronerna kan interagera med varandra och ordna om sig själva på oväntade sätt. Det är därför kvantdatorer för närvarande utvecklas i bad av flytande helium vid -269 °C, eller runt -450 F. Det är bara några grader över noll Kelvin (-273,15 °C).
Material kan också förlora kvantegenskaper när de exfolieras från 3D ner till ett 2D-enkelt lager av atomer, tunnhet av särskilt intresse för utveckling av enheter i nanoskala.
Nu har en University of Michigan-ledd forskargrupp utvecklat ett nytt sätt att inducera och stabilisera ett exotiskt kvantfenomen som kallas en laddningstäthetsvåg vid rumstemperatur. De har i princip identifierat en ny klass av 2D-material. Resultaten publiceras i Nature Communications .
"Detta är den första observationen av en laddningstäthetsvåg som är beställd och i två dimensioner. Vi blev chockade över att den inte bara har en laddningstäthetsvåg i två dimensioner, utan laddningstäthetsvågen är avsevärt förstärkt", säger Hovden.
Snarare än den typiska metoden att exfoliera och skala av enskilda atomlager för att göra ett 2D-material, odlade forskarna 2D-materialet inuti en annan matris. De kallade den nya klassen av material "endotaxiella" från de grekiska rötterna "endo", som betyder inom, och "taxis", vilket betyder på ett ordnat sätt.
Forskarna arbetade med en metallisk kristall, tantaldisulfid (TaS2), som, som vilken kristall som helst, har atomer ordnade i ett mönster som prydligt arrangerade pingisbollar åt alla håll. De observerade att när materialet växte, klumpade elektronerna i det inklämda 2D TaS2-kristallskiktet spontant ihop för att bilda sin egen kristall, känd som en laddningskristall eller en laddningstäthetsvåg - ett upprepande mönster i distributionen av elektroner i ett fast material.
När elektronerna klumpar sig och kristalliseras begränsas deras rörelse och metallen leder inte längre elektricitet bra. Utan att ändra materialets kemi har laddningskristallbildningen omvandlat materialet från en ledare till en isolator. Detta exotiska kvantfenomen kan visa sig användbart som en transistor i antingen klassisk eller kvantberäkning, som fungerar som en grind för att styra spänningsflödet.
"Detta öppnar upp för idén att endotaxiell syntes kan vara en viktig strategi för att stabilisera bräckliga kvanttillstånd vid normala temperaturområden som vi existerar i", säger Suk Hyun Sung, första författare till artikeln och doktorand vid University of Michigan och nuvarande postdoc vid University of Michigan. Rowland Institute vid Harvard University.
Med en laddningskristall som var stabil vid rumstemperatur i handen bestämde sig forskarna för att värma upp den för att observera förändringar.
"Den är beställd vid oväntat höga temperaturer. Inte bara vid rumstemperatur utan om du värmer upp den över vattnets kokpunkt har den fortfarande en laddningstäthetsvåg", sa Hovden.
Forskarna såg så småningom laddningskristallen smälta bort medan materialet förblev fast, vilket tog bort kvanttillståndet.
Experiment som detta främjar vår grundläggande förståelse av kvantmaterial, vilket är viktigt eftersom forskare arbetar för att utnyttja exotiska kvantfenomen för tekniska lösningar.
"Kvantmaterial kommer att störa både klassisk och kvantberäkning", sa Hovden.
Båda fälten har fastnat, säger Hovden. Klassisk datoranvändning har uttömt vad kisel kan göra och kvantberäkningar kan för närvarande bara fungera vid extremt låga temperaturer. De behöver kvantmaterial för att gå framåt.
För nu lägger den här forskningen grunden för att upptäcka nya kvantmaterial med hjälp av den endotaxiella syntesen och erbjuder löfte om stabilisering av kvantegenskaper vid mer praktiska temperaturer.
Mer information: Suk Hyun Sung et al, Endotaxiell stabilisering av 2D-laddningstäthetsvågor med långdistansordning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45711-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Michigan College of Engineering
