Ett TU/e och Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology-ledd samarbete som involverar forskare från hela världen har svaret, och varför, och resultaten har publicerats i tidskriften Science Advances .
Elektroner bär elektrisk energi, medan vibrationsenergi bärs av fononer. Att förstå hur de interagerar med varandra i vissa material, som i en sandwich av två grafenlager, kommer att få konsekvenser för framtida optoelektroniska enheter.
Nyligen arbete har avslöjat att grafenlager vridna i förhållande till varandra med en liten "magisk vinkel" kan fungera som perfekt isolator eller supraledare. Men fysiken för elektron-fonon-interaktionerna är ett mysterium. Som en del av ett världsomspännande internationellt samarbete har TU/e-forskaren Klaas-Jan Tielrooij lett en studie om elektron-fonon-interaktioner i grafenlager. Och de har gjort en häpnadsväckande upptäckt.
Vad sa elektronen till fononen mellan två lager av grafen? Det här kan låta som början på ett fysikmeme med en rolig punchline att följa. Men så är det inte enligt Klaas-Jan Tielrooij. Han är docent vid institutionen för tillämpad fysik och naturvetenskaplig utbildning vid TU/e och forskningsledare för det nya arbetet publicerat i Science Advances .
"Vi försökte förstå hur elektroner och fononer "pratar" med varandra inom två vridna grafenlager, säger Tielrooij.
Elektroner är de välkända laddnings- och energibärarna förknippade med elektricitet, medan en fonon är kopplad till uppkomsten av vibrationer mellan atomer i en atomär kristall.
"Fononer är dock inte partiklar som elektroner, de är en kvasipartikel. Ändå har deras interaktion med elektroner i vissa material och hur de påverkar energiförlusten i elektroner varit ett mysterium under en tid", konstaterar Tielrooij.
Men varför skulle det vara intressant att lära sig mer om elektron-fonon-interaktioner? "Dessa interaktioner kan ha en stor effekt på de elektroniska och optoelektroniska egenskaperna hos enheter, gjorda av material som grafen, som vi kommer att se mer av i framtiden."
Tielrooij och hans medarbetare, som är baserade runt om i världen i Spanien, Tyskland, Japan och USA, bestämde sig för att studera elektron-fonon-interaktioner i ett mycket speciellt fall - inom två lager av grafen där lagren är något feljusterade .
Grafen är ett tvådimensionellt lager av kolatomer arrangerade i ett bikakegitter som har flera imponerande egenskaper som hög elektrisk ledningsförmåga, hög flexibilitet och hög värmeledningsförmåga, och det är också nästan transparent.
Redan 2018 gick utmärkelsen Physics World Breakthrough of the Year till Pablo Jarillo-Herrero och kollegor vid MIT för deras banbrytande arbete med twistronics, där intilliggande lager av grafen roteras mycket lite i förhållande till varandra för att ändra grafenens elektroniska egenskaper. .
"Beroende på hur grafenskikten roteras och dopas med elektroner är kontrasterande utfall möjliga. För vissa dopningar fungerar skikten som en isolator, vilket förhindrar elektronernas rörelse. För annan dopning beter sig materialet som en supraledare — en material med noll resistans som tillåter avledningsfri rörelse av elektroner", säger Tielrooij.
Bättre känd som vriden dubbelskiktsgrafen, dessa utfall inträffar vid den så kallade magiska snedställningsvinkeln, som är drygt en rotationsgrad. "Felställningen mellan skikten är liten, men möjligheten för en supraledare eller en isolator är ett häpnadsväckande resultat."
För sin studie ville Tielrooij och teamet lära sig mer om hur elektroner förlorar energi i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen, eller MATBG för kort.
För att uppnå detta använde de ett material som bestod av två ark enskiktsgrafen (vardera 0,3 nanometer tjocka), placerade ovanpå varandra och felinriktade i förhållande till varandra med ungefär en grad.
Sedan genom att använda två optoelektroniska mättekniker kunde forskarna undersöka elektron-fonon-interaktionerna i detalj, och de gjorde några häpnadsväckande upptäckter.
"Vi observerade att energin försvinner mycket snabbt i MATBG - den inträffar på pikosekundens tidsskala, vilket är en miljondels av en miljondels sekund!" säger Tielrooij.
Denna observation är mycket snabbare än för fallet med ett enda lager grafen, särskilt vid ultrakalla temperaturer (särskilt under -73°C). "Vid dessa temperaturer är det mycket svårt för elektroner att förlora energi till fononer, men det händer i MATBG. Vi observerade att energin försvinner mycket snabbt i MATBG - den inträffar på pikosekundens tidsskala, vilket är en miljondel av en- miljondels sekund."
Så varför förlorar elektronerna energin så snabbt genom interaktion med fononerna? Tja, det visar sig att forskarna har avslöjat en helt ny fysisk process.
"Den starka elektron-fonon-interaktionen är en helt ny fysisk process och involverar så kallad elektron-fonon Umklapp-spridning", tillägger Hiroaki Ishizuka från Tokyo Institute of Technology i Japan, som utvecklat den teoretiska förståelsen av denna process tillsammans med Leonid Levitov från Massachusetts Institute of Technology i USA
Umklappsspridning mellan fononer är en process som ofta påverkar värmeöverföringen i material, eftersom den möjliggör att relativt stora mängder rörelsemängd kan överföras mellan fononer.
"Vi ser effekterna av att phonon-phonon Umklapp sprider sig hela tiden eftersom det påverkar förmågan för (icke-metalliska) material vid rumstemperatur att leda värme. Tänk bara på ett isolerande material på handtaget på en kastrull till exempel", säger Ishizuka. "Däremot är elektron–fonon Umklapp-spridning sällsynt. Här har vi dock för första gången observerat hur elektroner och fononer interagerar via Umklapp-spridning för att skingra elektronenergi. Den starka elektron–fonon-interaktionen är en helt ny fysisk process och involverar s.k. elektron–fonon Umklapp-spridning."
Tielrooij och medarbetare kan ha slutfört det mesta av arbetet medan han var baserad i Spanien vid Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), men som Tielrooij noterar. "Det internationella samarbetet visade sig vara avgörande för att göra denna upptäckt."
Så, hur bidrog alla medarbetare till forskningen? Tielrooij säger, "Först behövde vi avancerad tillverkningsteknik för att göra MATBG-proverna. Men vi behövde också en djup teoretisk förståelse av vad som händer i proverna. Utöver det krävdes ultrasnabba optoelektroniska mätinställningar för att mäta vad som händer i proverna också . Det internationella samarbetet visade sig vara avgörande för att göra denna upptäckt."
Tielrooij och teamet fick de magiska vinkelproverna från Dmitri Efetovs grupp vid Ludwig-Maximilians-Universität i München, som var den första gruppen i Europa som kunde göra sådana prover och som också utförde fotoblandningsmätningar, medan teoretiskt arbete vid MIT i USA och vid Tokyo Institute of Technology i Japan visade sig vara avgörande för framgången för forskningen.
På ICN2 använde Tielrooij och hans teammedlemmar Jake Mehew och Alexander Block banbrytande utrustning, särskilt tidsupplöst fotospänningsmikroskopi för att utföra sina mätningar av elektron-fonon-dynamik i proverna.
Så, hur ser framtiden ut för dessa material då? Enligt Tielrooij, förvänta dig inget för tidigt.
"Eftersom materialet bara studeras under några år, är vi fortfarande en bit ifrån att se magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen ha en inverkan på samhället."
Men det finns mycket att utforska om energiförlust i materialet.
"Framtida upptäckter kan ha konsekvenser för laddningstransportens dynamik, vilket kan få konsekvenser för framtida ultrasnabba optoelektronikenheter", säger Tielrooij. "Särskilt skulle de vara mycket användbara vid låga temperaturer, så det gör materialet lämpligt för rymd- och kvantapplikationer."
Forskningen från Tielrooij och det internationella teamet är ett verkligt genombrott när det kommer till hur elektroner och fononer interagerar med varandra.
Men vi får vänta lite till för att helt förstå konsekvenserna av vad elektronen sa till fononen i grafen-sandwichen.
Mer information: Jake Dudley Mehew et al, Ultrasnabb Umklapp-assisterad elektron-fononkylning i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj1361
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Eindhovens tekniska universitet
