Wenn Sie in letzter Zeit in Columbia News oder anderswo Geschichten über Quantenforschung gelesen haben, haben Sie möglicherweise den Begriff 2D oder zweidimensionale Materialien gehört.
Eine Illustration der atomaren Struktur von Graphen, einer Form von ultrastarkem 2D-Kohlenstoff.
Im Januar veröffentlichten Chemiker aus Columbia eine Studie über das erste zweidimensionale schwere Fermion, eine Materialklasse mit sehr schweren Elektronen. Im November veröffentlichte die Ingenieurschule einen Artikel zum Thema „Laser-Antrieb eines 2D-Materials“. Und Anfang letzten Jahres fanden Forscher sowohl Supraleitung als auch Ferroelektrizität im selben 2D-Material. Die Liste geht weiter.
Was sind also 2D-Materialien und warum sind Wissenschaftler so interessiert?
Zweidimensionale Materialien sind genau das, wonach sie klingen: Materialien, die nur ein oder zwei Atome dick, aber in alle anderen Richtungen breiter sind. Oftmals sind die 2D-Materialien, mit denen Wissenschaftler arbeiten, nur wenige Quadratmikrometer groß – für das bloße Auge unsichtbar, aber sichtbar mit der Art von Mikroskop, das Sie vielleicht im Naturwissenschaftsunterricht in der Oberstufe verwendet haben. Die 2D-Materialien, mit denen Wissenschaftler arbeiten, sind eine Mischung aus natürlich vorkommenden Materialien wie Graphen, einer 2004 in Columbia entdeckten Form von ultrastarkem Kohlenstoff, und in Laboren synthetisierten Materialien wie CeSil, einem Kristall, der letztes Jahr erstmals in Columbia zusammengesetzt wurde. bestehend aus Cer, Silizium und Jod. Diese Materialien beginnen normalerweise als dreidimensional, und Wissenschaftler zerlegen sie auf zwei Dimensionen, um Experimente mit ihnen durchzuführen und herauszufinden, welche physikalischen Eigenschaften wie Supraleitung oder Magnetismus auftreten könnten, wenn die Materialien atomar flach sind. Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung neuer Möglichkeiten, 2D-Materialien von Grund auf herzustellen, ohne sie von 3D-Materialien abziehen zu müssen, aber die Qualität dieser Materialien ist immer noch mangelhaft.
Viele Dinge machen 2D-Materialien interessant, aber der wichtigste Grund ist, dass sie die Art und Weise einschränken, wie sich Teilchen wie Elektronen in ihnen bewegen können. Der Columbia-Chemiker Xavier Roy nutzte eine Verkehrsanalogie, um zu erklären:
„Stellen Sie sich das so vor: Wenn wir fliegende Autos hätten, die sich im dreidimensionalen Raum fortbewegen könnten, könnten wir den größten Teil des Verkehrs in New York reduzieren. Aber da unsere aktuellen Autos nur zweidimensional reisen können, kommt es am Times Square zu riesigen Staus“, sagte Roy kürzlich in einem Interview.
„Das Gleiche passiert mit Elektronen, wenn wir von 3D in 2D wechseln, aber in unserem Fall ist der ‚Verkehr‘ zwischen Elektronen von Vorteil! Wenn diese Elektron-Elektron-Wechselwirkungen stärker werden, können wir die Eigenschaften eines Materials vollständig verändern. Wenn beispielsweise die Dicke von schweren 3D-Fermionenmaterialien abnimmt (d. h. wenn sie mehr 2D werden), können sie von magnetisch zu supraleitend werden.“
Auch zweidimensionale Materialien lassen sich relativ einfach optimieren: Durch Stapeln mit leichten Winkeln zwischen den Schichten, Anwenden von Kräften wie elektrischen Feldern und Magnetfeldern und Dehnen der Materialien durch Verdrehen oder Druck auf sie können sich ihre Eigenschaften ändern. Nehmen Sie nur ein Beispiel: Durch einfaches Stapeln zweier Schichten eines Materials namens Wolframdiselenid übereinander, Verdrehen und Hinzufügen oder Entfernen elektrischer Ladung kann das Material von einem elektrisch leitenden Metall zu einem elektrisch blockierenden Isolator und zurück wechseln wieder.
Wissenschaftler sind auch von den potenziellen Einsatzmöglichkeiten von 2D-Materialien in der Technologie begeistert, die Wissenschaftler oft als „Anwendungen“ bezeichnen.
Zweidimensionale Materialien werden wahrscheinlich eine entscheidende Rolle in der nächsten Generation der Elektronik spielen, einschließlich der noch in der Entwicklung befindlichen Quantencomputer. Warum? Zum großen Teil, weil 2D-Materialien extrem klein sind und über einzigartige, kontrollierbare Eigenschaften (wie Supraleitung) verfügen und die Technologie immer auf der Suche nach etwas ist, mit dem sich schnellere, effizientere und weniger Platz verbrauchende Ergebnisse erzielen lassen.
Quelle: Columbia University
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