Ingenting i världen är perfekt. Detta gäller även inom materialforskning. I datorsimuleringar representerar man ofta ett system på ett högst idealiserat sätt; man räknar till exempel ut vilka egenskaper en helt perfekt kristall skulle ha. I praktiken måste vi dock alltid hantera ytterligare effekter – med defekter i kristallgittret, med ytterligare partiklar som fäster på materialet, med komplicerade interaktioner mellan partiklarna. Den avgörande frågan är därför:Ändrar dessa oundvikliga ytterligare effekter materialegenskaperna eller inte?
Detta är särskilt intressant när det gäller det tvådimensionella materialet grafen, som bara består av ett enda lager kolatomer. Det har länge varit känt att grafen har utmärkta elektroniska egenskaper. Det var dock oklart fram till nu hur stabila dessa egenskaper är. Förstörs de av störningar och ytterligare effekter, som är oundvikliga i praktiken, eller förblir de intakta?
Forskare vid TU Wien (Wien) har nu lyckats utveckla en heltäckande datormodell av realistiska grafenstrukturer. Det visade sig att de önskade effekterna är mycket stabila. Även grafenbitar som inte är helt perfekta kan användas bra för tekniska tillämpningar. Detta är goda nyheter för den globala grafengemenskapen. Forskningen är publicerad i tidskriften Carbon .
"Vi beräknar i atomär skala hur elektrisk ström fortplantar sig i en liten bit grafen", säger prof. Florian Libisch från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. "Det finns olika sätt som en elektron kan röra sig genom materialet. Enligt kvantfysikens regler behöver den inte välja en av dessa vägar; elektronen kan ta flera vägar samtidigt."
Dessa olika vägar kan sedan överlappa varandra på olika sätt. Vid mycket specifika energivärden tar banorna ut varandra; vid denna energi är sannolikheten för att elektroner passerar genom grafenbiten mycket låg, och den elektriska strömmen är minimal. Detta kallas "destruktiv störning."
"Det faktum att strömflödet minskar dramatiskt vid mycket specifika energivärden av kvantfysiska skäl är en högst önskvärd effekt tekniskt", förklarar Libisch. "Detta kan till exempel användas för att bearbeta information i en liten skala, liknande vad elektroniska komponenter gör i datorchips."
Man kan också använda den för att utveckla nya kvantsensorer. Antag att en grafenbit praktiskt taget inte leder någon ström alls. Sedan, plötsligt, fäster en molekyl från utsidan på grafenytan. "Den här ena molekylen ändrar de elektroniska egenskaperna hos grafenbiten en liten bit, och det kan redan räcka för att plötsligt öka strömflödet ganska drastiskt", säger Dr Robert Stadler. "Detta kan användas för att göra extremt känsliga sensorer."
Men de fysiska effekterna som spelar roll för detaljerna är mycket komplicerade. "Storleken och formen på grafenbiten är inte alltid densamma, och det finns många kroppsinteraktioner mellan flera elektroner som är väldigt svåra att beräkna matematiskt. Det kan finnas oönskade extra atomer på vissa ställen, och atomerna vinglar alltid lite. — Allt detta måste tas i beaktande för att kunna beskriva materialet grafen på ett verkligt realistiskt sätt, säger Dr. Angelo Valli.
Det är precis vad som nu har uppnåtts vid TU Wien:Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian och Florian Libisch har många års erfarenhet av att korrekt beskriva olika effekter i material i datormodeller. Genom att kombinera sin expertis har de nu lyckats utveckla en heltäckande datormodell som inkluderar alla relevanta felkällor och störningseffekter som finns i grafer.
Och genom att göra det kunde de visa att även i närvaro av dessa felkällor är de önskade effekterna fortfarande synliga. Det är fortfarande möjligt att hitta en viss energi vid vilken ström flyter endast i mycket liten utsträckning på grund av kvanteffekter. Experiment hade redan visat att detta är rimligt, men en systematisk teoretisk undersökning saknades tills nu.
Detta bevisar att grafen inte behöver vara perfekt för att användas för kvantinformationsteknologi eller kvantavkänning. För tillämpad forskning inom detta område är detta ett viktigt budskap:De världsomspännande ansträngningarna att använda kvanteffekterna i grafen på ett kontrollerat sätt är verkligen lovande.
Mer information: Angelo Valli et al, Stabilitet av destruktiva kvantinterferensantiresonanser vid elektrontransport genom grafennanostrukturer, Kol (2023). DOI:10.1016/j.carbon.2023.118358
Journalinformation: Kol
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
