Ερευνητές του Πανεπιστημίου Tohoku ανέπτυξαν μια σταθερή μορφή του πολυαναμενόμενου «βόριο-γραφενίου», αποκαλύπτοντας παράλληλα μια νέα κβαντική κατάσταση των ηλεκτρονίων που θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για πιο αποδοτικές ηλεκτρονικές συσκευές και νέες γενιές υπεραγωγών.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science Advances, προτείνει μια νέα προσέγγιση για τη δημιουργία δισδιάστατων κβαντικών υλικών, ξεπερνώντας ένα πρόβλημα που απασχολούσε την επιστημονική κοινότητα επί χρόνια.
Μια εναλλακτική στο γραφένιο
Το γραφένιο θεωρείται ένα από τα πιο υποσχόμενα υλικά για τα ηλεκτρονικά του μέλλοντος. Ωστόσο, οι σχετικά ασθενείς αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων του περιορίζουν την αξιοποίησή του σε εφαρμογές όπως η υπεραγωγιμότητα υψηλών θερμοκρασιών.
Οι επιστήμονες είχαν στρέψει το ενδιαφέρον τους στο βοροφαίνιο, ένα δισδιάστατο υλικό αποτελούμενο από άτομα βορίου, το οποίο θεωρητικά θα μπορούσε να παρουσιάζει πολύ ισχυρότερες ηλεκτρονικές αλληλεπιδράσεις και νέα κβαντικά φαινόμενα.
Το βασικό εμπόδιο ήταν ότι η ιδανική κυψελωτή δομή του βοροφαινίου είναι εξαιρετικά ασταθής και σχεδόν αδύνατο να παραχθεί.
Μια διαφορετική προσέγγιση
Αντί να επιχειρήσουν τη σύνθεση ενός ανεξάρτητου φύλλου βορίου, οι ερευνητές αξιοποίησαν έναν τρισδιάστατο κρύσταλλο με χημική σύνθεση LaRh3B2.
Το συγκεκριμένο υλικό διαθέτει φυσικά στρώματα ατόμων βορίου σε κυψελωτή διάταξη. Με την αποκάλυψη αυτών των στρωμάτων στην επιφάνεια του κρυστάλλου δημιούργησαν ένα σταθερό δισδιάστατο ηλεκτρονικό σύστημα με ιδιότητες αντίστοιχες του πολυπόθητου βοροφαινίου.
Ανακάλυψη μιας νέας κβαντικής κατάστασης
Με τη χρήση προηγμένων τεχνικών φασματοσκοπίας, οι επιστήμονες εντόπισαν πολύ υψηλή συγκέντρωση ηλεκτρονίων κοντά στο επίπεδο Fermi του υλικού.
Το χαρακτηριστικό αυτό, γνωστό ως ιδιομορφία van Hove, ενισχύει σημαντικά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ασυνήθιστων κβαντικών φαινομένων.
Στη συνέχεια, με τη βοήθεια μικροσκοπίας και φασματοσκοπίας σάρωσης σήραγγας, παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια οργανώνονταν αυθόρμητα προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, καταργώντας την αρχική εξαπλή συμμετρία του κρυστάλλου.
Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία μιας «ηλεκτρονικής νηματικής κατάστασης», μιας μορφής κβαντικού υγρού κρυστάλλου, όπου τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται με τρόπο ανάλογο των μορίων στις οθόνες υγρών κρυστάλλων.
Ο συνδυασμός δύο τεχνικών αποκάλυψε το φαινόμενο
Η ανακάλυψη κατέστη δυνατή χάρη στον συνδυασμό δύο διαφορετικών τεχνικών απεικόνισης.
Η φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με γωνιακή ανάλυση εντόπισε τις περιοχές όπου εμφανιζόταν η ηλεκτρονική αστάθεια, ενώ η μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας κατέγραψε απευθείας την αλλαγή στη συμμετρία της ηλεκτρονικής δομής.
Η σύγκριση των δύο συνόλων δεδομένων επέτρεψε στους επιστήμονες να εξηγήσουν τον μηχανισμό δημιουργίας της νέας κβαντικής φάσης.
Προοπτικές για νέες τεχνολογίες
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της οικογένειας κρυστάλλων που χρησιμοποιήθηκε είναι ότι επιτρέπει την αντικατάσταση διαφόρων χημικών στοιχείων στη δομή της.
Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές μπορούν να ρυθμίζουν τον αριθμό και τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, δημιουργώντας νέα υλικά με διαφορετικές κβαντικές ιδιότητες.
Η δυνατότητα αυτή αναμένεται να επιταχύνει την ανάπτυξη υπεραγωγών νέας γενιάς, καθώς και ενεργειακά αποδοτικών ηλεκτρονικών και κβαντικών τεχνολογιών που θα αξιοποιούν τις ιδιότητες αυτών των προηγμένων υλικών.