Os pesquisadores da Rutgers College-New Brunswick descobriram uma nova classe de materiais-chamada Intercrystals-com propriedades eletrônicas exclusivas que poderiam alimentar as tecnologias futuras.
Os intercristalas exibem formas recém -descobertas de propriedades eletrônicas que podem abrir caminho para avanços em componentes eletrônicos mais eficientes, computação quântica e materiais ecológicos, disseram os cientistas.
Conforme descrito em um relatório no Journal Science Materiais naturaisos cientistas empilharam duas camadas ultrafinas de grafeno, cada uma de uma folha de átomos de carbono de um átomo, organizada em uma grade hexagonal. Eles os torceram ligeiramente no topo de uma camada de nitreto de boro hexagonal, um cristal hexagonal feito de boro e nitrogênio. Um desalinhamento sutil entre as camadas que formaram padrões de Moiré – padrões semelhantes aos observados quando duas telas de malha fina são sobrepostas – alteraram significativamente como os elétrons se moviam através do materials, eles encontraram.
“Nossa descoberta abre um novo caminho para o design de materiais”, disse Eva Andrei, professora do Conselho de Governadores do Departamento de Física e Astronomia da Escola de Artes e Ciências de Rutgers e principal autor do estudo. “Os intercristais nos dão uma nova alça para controlar o comportamento eletrônico usando a geometria sozinha, sem ter que alterar a composição química do materials”.
Ao entender e controlar as propriedades únicas dos elétrons em intercristais, os cientistas podem usá -los para desenvolver tecnologias como transistores e sensores mais eficientes que anteriormente exigiram uma mistura mais complexa de materiais e processamento, disseram os pesquisadores.
“Você pode imaginar projetar um circuito eletrônico inteiro onde todas as funções-comutação, detecção e propagação de sinais-são controladas pela ajuste da geometria no nível atômico”, disse Jedediah Pixley, professor associado de física e co-autor do estudo. “Os intercristais podem ser os blocos de construção de tais tecnologias futuras.
“A descoberta depende de uma técnica crescente na física moderna chamada” Twistronics “, onde camadas de materiais são contorcidas em ângulos específicos para criar padrões de moiré. Essas configurações alteram significativamente o comportamento dos elétrons dentro da substância, levando a propriedades que não são encontradas em cristais regulares.
A idéia elementary foi demonstrada pela primeira vez por Andrei e sua equipe em 2009, quando mostraram que os padrões de Moiré em grafeno distorcido remodelam dramaticamente sua estrutura eletrônica. Essa descoberta ajudou a semear o campo da Twistronics.
Os elétrons são pequenas partículas que se movem em materiais e são responsáveis pela realização de eletricidade. Em cristais regulares, que possuem um padrão repetido de átomos que formam uma grade perfeitamente organizada, a maneira como os elétrons se movem é bem compreendida e previsível. Se um cristal é girado ou deslocado por certos ângulos ou distâncias, ele parece o mesmo devido a uma característica intrínseca conhecida como simetria.
Os pesquisadores descobriram que as propriedades eletrônicas dos intercristais, no entanto, podem variar significativamente com pequenas mudanças em sua estrutura. Essa variabilidade pode levar a comportamentos novos e incomuns, como supercondutividade e magnetismo, que normalmente não são encontrados em cristais regulares. Os materiais supercondutores oferecem a promessa de corrente elétrica que flui continuamente porque realiza eletricidade com resistência zero.
Os intercristalas podem fazer parte do novo circuito para eletrônicos de baixa perda e sensores atômicos que poderiam participar da fabricação de computadores quânticos e poderão novas formas de tecnologias de consumo, disseram os cientistas.
Os materiais também oferecem a perspectiva de funcionar como base de tecnologias eletrônicas mais ecológicas.
“Como essas estruturas podem ser feitas de elementos abundantes e não tóxicos, como carbono, boro e nitrogênio, em vez de elementos de terras raras, elas também oferecem uma by way of mais sustentável e escalável para futuras tecnologias”, disse Andrei.
Intercristais não são distintos apenas dos cristais convencionais. Eles também são diferentes dos quasicristais, um tipo especial de cristal descoberto em 1982 com uma estrutura ordenada, mas sem o padrão de repetição encontrado em cristais regulares.
Os membros da equipe de pesquisa nomearam sua descoberta de “intercristalas” porque são uma mistura entre cristais e quasicristais: eles têm padrões não repetidos como quase-cristais, mas compartilham simetrias em comum com cristais regulares.
“A descoberta de quasicristais na década de 1980 desafiou as antigas regras sobre ordem atômica”, disse Andrei. “Com os intercrians, damos um passo adiante, mostrando que os materiais podem ser projetados para acessar novas fases da matéria, explorando a frustração geométrica na menor escala”.
Os pesquisadores da Rutgers estão otimistas sobre as futuras aplicações de intercristais, abrindo novas possibilidades para explorar e manipular as propriedades dos materiais no nível atômico.
“Este é apenas o começo”, disse Pixley. “Estamos empolgados em ver onde essa descoberta nos levará e como isso afetará a tecnologia e a ciência nos próximos anos”.
Outros pesquisadores da Rutgers que contribuíram para o estudo incluíram os associados de pesquisa Xinyuan Lai, Guohong Li e Angela Coe, do Departamento de Física e Astronomia.
Cientistas do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais no Japão também contribuíram para o estudo.
