Впервые получены прямые изображения атомных тепловых вибраций в квантовых материалах

Исследователи, изучающие явления на атомном уровне, влияющие на электронные и квантовые устройства нового поколения, получили первые микроскопические изображения атомных тепловых вибраций. На них виден новый тип движения, который может изменить подход к разработке квантовых технологий и сверхтонкой электроники.

Ичао Чжан, доцент кафедры материаловедения и инженерии Мэрилендского университета, разработала метод электронной микроскопии для прямого получения изображений «моирé фазонов» — физического явления, влияющего на сверхпроводимость и теплопроводность двумерных материалов для электронных и квантовых устройств нового поколения.

Статья об исследовании, в которой впервые задокументированы изображения тепловой вибрации отдельных атомов, была опубликована в журнале Science.

Двумерные материалы, представляющие собой листовидные структуры толщиной в несколько нанометров, исследуются как новые компоненты электронных и квантовых устройств нового поколения. Особенностью скрученных двумерных материалов являются «моирé фазоны», имеющие решающее значение для понимания теплопроводности материалов, их электронного поведения и структурного порядка.

Ранее «моирé фазоны» было трудно обнаружить экспериментально, что препятствовало дальнейшему изучению материалов, способных революционизировать квантовые технологии и энергоэффективную электронику.

Исследовательская группа Чжан приняла вызов, используя новую технику под названием «электронная Ptychография», которая достигла наивысшего задокументированного разрешения (лучше 15 пикометров) и обнаружила размытие отдельных атомов, вызванное тепловыми вибрациями.

Работа показала, что пространственно локализованные «моирé фазоны» доминируют над тепловыми вибрациями скрученных двумерных материалов, что коренным образом изменило представление учёных о влиянии этих материалов.

Прорывное исследование, подтвердившее давние теоретические предсказания о «моирé фазонах», также продемонстрировало, что «электронную Ptychографию» можно использовать для картирования тепловых вибраций с атомной точностью — чего ранее достичь не удавалось.

«Это как расшифровка скрытого языка атомного движения», — сказала Чжан. «Электронная Ptychография позволяет нам напрямую увидеть эти тонкие вибрации. Теперь у нас есть мощный новый метод для изучения ранее скрытых физических явлений, который ускорит открытия в области двумерных квантовых материалов».

Исследовательская группа Чжан сосредоточит внимание на изучении того, как дефекты и интерфейсы в квантовых и электронных материалах влияют на тепловые вибрации.

Контроль теплового поведения этих материалов может позволить разработать новые устройства с заданными тепловыми, электронными и оптическими свойствами — прокладывая путь для достижений в области квантовых вычислений, энергоэффективной электроники и наномасштабных датчиков.

Предоставлено Мэрилендским университетом.