Wenn Sie kürzlich in den Columbia News oder anderswo über Quantenforschung gelesen haben, haben Sie vielleicht schon einmal den Begriff 2D oder zweidimensionale Materialien gehört.
Eine Illustration der atomaren Struktur von Graphen, einer ultrastarken 2D-Form von Kohlenstoff.
Im Januar veröffentlichten Chemiker aus Columbia eine Studie über das erste zweidimensionale schwere Fermion, eine Materialklasse, die sehr schwere Elektronen enthält. Im November veröffentlichte die Ingenieurschule einen Artikel zum Thema „Laserkontrolle eines 2D-Materials“. Und Anfang letzten Jahres entdeckten Forscher sowohl Supraleitung als auch Ferroelektrizität im selben 2D-Material. Die Liste geht weiter.
Was sind also 2D-Materialien und warum sind Wissenschaftler so an ihnen interessiert?
Zweidimensionale Materialien sind genau das, wonach sie klingen: Materialien, die nur ein oder zwei Atome dick sind, aber in alle anderen Richtungen breiter sind. Oft sind die 2D-Materialien, mit denen Wissenschaftler arbeiten, nur wenige Quadratmikrometer groß – für das bloße Auge unsichtbar, aber sichtbar mit einem Mikroskop, das Sie vielleicht im Naturwissenschaftsunterricht in der High School verwendet haben. Die 2D-Materialien, mit denen Wissenschaftler arbeiten, sind eine Mischung aus natürlichen Materialien wie Graphen, einer superstarken Form von Kohlenstoff, die 2004 in Columbia entdeckt wurde, und im Labor synthetisierten Materialien wie CeSil, einem Kristall, der letztes Jahr erstmals in Columbia hergestellt wurde. bestehend aus Cer, Silizium und Jod. Diese Materialien beginnen normalerweise in drei Dimensionen, und Wissenschaftler zerlegen sie in 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 zu erstellen, ohne sie von 3D trennen zu müssen, aber die Qualität dieser Materialien ist immer noch mangelhaft.
Es gibt viele Dinge, die 2D-Materialien interessant machen, aber das Wichtigste ist, dass sie die Bewegung von Teilchen wie Elektronen in ihnen einschränken. Xavier Roy, ein Chemiker aus Kolumbien, nutzte eine Analogie zum Menschenhandel, um zu erklären:
„Stellen Sie sich das so vor: Wenn wir fliegende Autos hätten, die im dreidimensionalen Raum reisen könnten, könnten wir den größten Teil des Verkehrs in New York reduzieren. Aber weil unsere aktuellen Autos nur in zwei Dimensionen fahren 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 schwerer 3D-Fermionenmaterialien abnimmt (d. h. wenn sie zweidimensionaler werden), können sie von magnetisch zu supraleitend übergehen.
Auch zweidimensionale Materialien lassen sich relativ leicht modifizieren: Durch Stapeln mit leichten Winkeln zwischen den Schichten, Anwenden von Kräften wie elektrischen Feldern und Magnetfeldern sowie Dehnen der Materialien durch Verdrehen oder Druck können sich ihre Eigenschaften verändern. Nehmen wir nur ein Beispiel: Indem man einfach zwei Schichten eines Materials namens Wolframdiselenid übereinander stapelt, sie verdreht und eine elektrische Ladung hinzufügt oder entfernt, kann sich das Material von einem leitenden Metall in Elektrizität zu einem Isolator verwandeln, der die Elektrizität blockiert und zurück.
Wissenschaftler sind auch begeistert von den möglichen Einsatzmöglichkeiten von 2D-Materialien in der Technologie, 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. Wofür? Vor allem, weil 2D-Materialien extrem klein sind und einzigartige, kontrollierbare Eigenschaften (wie Supraleitung) haben und die Technologie immer nach etwas sucht, das schnellere, effizientere und effizientere Ergebnisse erzielt und weniger Platz beansprucht.
Quelle: Columbia University
Ursprünglich veröffentlicht in The European Times.
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