vaste stoffysica

Een golf plant zich voort door excitonium. Bron: Peter Abbamonte, U. of I. Department of Physics and Frederick Seitz Materials Research Laboratory

Excitonium, een nieuwe materievorm

9 reacties / natuurkunde, Techniek, Wetenschap / Door / 13 december 2017

Excitonium is een vreemde vorm van materie, die 50 jaar geleden voorspeld is maar nu pas ontdekt is. Maar wat is excitonium precies?.En wat zouden er er mee kunnen doen?

Wat is excitonium?
Excitonium bestaat uit excitons.
Excitons zijn pseudodeeltjes, die bestaan uit een elektron en het gat, dat het elektron achter heeft gelaten in het kristalrooster. Meestal verwijderen elektronen zich ver van het gat dat ze achterlaten. Bij excitonen is dat anders. De elektronen blijven rond het gat hangen en vormen, met het gat, een soort pseudo-atoom. Kwantumeffecten zijn afhankelijk zijn van de massa – de onzekerheidsrelatie van Heisenberg stelt onder meer dat hoe groter de bewegingssnelheid, hoe kleiner de onzekerheid van de plaats. (er zijn andere relaties, bijvoorbeeld die tussen massa en tijd, maar die vallen buiten het bestek van dit artikel). De lage snelheid van de elektronen en gaten in de exciton-pseudo-atomen, betekent dat ze een enorme grootte hebben – denk aan tientallen malen de grootte van een ‘normaal’ atoom. Nu wordt het interessant. Want als kwantumsystemen elkaar overlappen, vormen ze een condensaat. Dat wil zeggen, dat ze zich gaan gedragen als een enkel systeem. Als het systeem groot is, kan je kwantumeffecten op macroscopische schaal ontdekken. Het bekendste voorbeeld van een kwantum condensaat is een supervloeistof.

Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen plat, op een oppervlakte. Ook interessant is, dat deze, zaten zich vormen op relatief hoge temperatuur: 190° boven het absolute nulpunt (190 kelvin, -83 graden). Dit is hoger dan de temperatuur van vaste kooldioxide, droge ijs. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, worden toepassingen op kamertemperatuur mogelijk. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen.

Excitonium

Wat kan je er mee?
Bijzonder aan deze ontwikkeling is, dat dit een driedimensionaal excitonium is. Het is onderzoekers al eerder gelukt, om excitonium te produceren, maar dan alleen in platte vorm, als oppervlakte. Dit is het eerste bulk-excitonium ooit. Ook interessant is, dat dit excitonium zich vormt op relatief hoge temperatuur: (190 kelvin, -80 graden). Dit is de temperatuur van vloeibare kooldioxide. Als het lukt om deze temperatuur nog verder op te schroeven, komen toepassingen op kamertemperatuur dichterbij. Condensaten op kamertemperatuur zijn erg interessant, omdat hiermee kwantumeffecten in het dagelijks leven zijn toe te passen. Theoretische voorspellingen lopen nogal uiteen over de eigenschappen van de substantie. Volgens sommigen is het een perfecte geleider, volgens anderen een isolator. In het eerste geval hebben we supergeleiding op kamertemperatuur. Ook superwarmtegeleiding zou een erg interessante toepassing zijn. Dan zou je warmteleidingen kunnen aanleggen, waarbij het niet meer nodig is om vloeistoffen te laten stromen. Voordat hier iets met zekerheid over te zeggen, moeten er experimenten worden gedaan met het nieuwe materiaal. Dat is nu eindelijk mogelijk. De ervaring leert dat ook fundamentele ontdekkingen die op het eerste gezicht niet nuttig lijken, vaak later een goudmijn voor nieuwe technologieop te leveren. Zo werd van de laser, die nu in tienduizenden producten is terug te vinden, gezegd dat het een vinding was dat wachtte op een toepassing.

 

Bron
A. Kogar et al., Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide, Science 08 Dec 2017:
Vol. 358, Issue 6368, pp. 1314-1317 DOI: 10.1126/science.aam6432 Arxiv

Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al.

‘Half-materie, half-licht deeltje ontdekt’

9 reacties / natuurkunde, Techniek / Door / 30 december 2014

Een team onderzoekers van City College of New York ontdekten quasideeltjes met zowel licht- als materie-eigenschappen in een enkele atomen dikke halfgeleiderlaag.

De halfgeleider bestaat uit een platte laag van molybdeen en zwavelatomen, die een soortgelijk zeshoekig rooster vormen,zoals grafeen. Zie afbeelding. Ze omgaven de halfgeleider door twee lagen die licht invangen, wat de quasideeltjes opleverde. “Dit is niet alleen een doorbraak op het gebied van fundamenteel onderzoek, ook schept dit de mogelijkheid om apparaten te ontwikkelen die zowel van licht- als materie-eigenschappen gebruik kunnen maken,” aldus de weinig bescheiden onderzoeksleider dr. Vinod Menon.

Een voorbeeld kan zijn: logische poorten of signaalverwerkers die gebruik maken van de voor een bepaalde toepassing meest gunstige eigenschappen van licht en materie. Voor bijvoorbeeld praktische kwantumcomputers, die bij bepaalde bewerkingen veel sneller kunnen rekenen dan bestaande computers, kan de nieuwe ontdekking positieve gevolgen hebben.

Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Mehta et al.
Het tussenliggende laagje is één atoom dik en bestaat uit molybdeenatomen (zwart) en zwavelatomen (geel) in een regelmatig zeshoekptroon. Bron: Menon et al.

Dr. Dirk Englund, een hoogleraar aan MIT, houdt zich zelf bezig met kwantumtechnologie, gebaseerd op halfgeleiders en optische systemen. Een nauwverwant onderwerp dus.
“Wat het werk van Vinod en zijn team zo opmerkelijk maakt, is hoe makkelijk deze sterke koppeling [tussen licht en massa, red.] kon worden bereikt. Ze hebben overtuigend laten zien, dat door een standaard diëlektrische holte met exciton-polaritons te koppelen in een enkel laagje van molybdeen disulfide, ze de sterke koppeling met een erg grote bindingssterkte hebben kunnen bereiken.”, aldus hem [1].
Korte technische uitleg: als een lichtdeeltje, een foton, door een lichtdoorlatend materiaal, zoals glas of water, reist, vormt het een quasideeltje. Het lichtdeeltje is als het ware veranderd in een trilling (fonon), samengaan van een paar elektrische of magnetische polen met een ander foton  (polariton) of een van zijn plaats losgeslagen elektron (exciton). Een diëlektrische holte is een ruimte tussen een positief en negatief geladen oppervlak.
Naar quasideeltjes wordt erg veel onderzoek naar gedaan, want hiermee zijn uitermate interessante fratsen uit te halen. Denk aan nanosensoren, geluidslasers en dergelijke.

De studie werd onder meer gesponsord door het U.S. Army Research Laboratory’s Army Research Office en de Amerikaanse National Science Foundation. De kans zit er dus in, dat deze techniek binnenkort te vinden is in een drone, kruisraket of ander instrument ter bevordering van vrede en liefde in de wereld.

Bronnen
[1] STUDY UNVEILS NEW HALF-LIGHT HALF-MATTER QUANTUM PARTICLES, City University  of New York (2014)
[2] Vinod M. Menon et al., Strong light–matter coupling in two-dimensional atomic crystals, Nature Photonics, 2014

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

‘Grafyn vaak beter dan wondermateriaal grafeen’

1 reactie / Techniek, Wetenschap / Door / 12 april 2012

Grafeen is maar een enkele variant van een groep uit koolstof bestaande platte moleculen. Grafynen bijvoorbeeld blijken een aantal interessante eigenschappen te hebben die op bepaalde punten die van grafeen zelfs overtreffen. Is grafeen nog maar het topje van de ijsberg?

Een materiaal dat tegelijkertijd zo sterk als diamant is en atoomdik. Een goede geleider, vergelijkbaar met een metaal in bepaalde gevallen, makkelijk vervormbaar en nog enkele andere unieke eigenschappen, zoals toepassing in batterijen. Geen wonder dat aan de ontdekkers van grafeen in 2010 de Nobelprijs natuurkunde is toegekend.

‘Grafyn geleidt stroom maar in één richting’
Toch blijkt uit nieuwe computersimulaties dat een weinig bekend verwant materiaal, grafyn, in sommige opzichten interessanter kan zijn dan grafeen. Uit de simulaties blijkt dat de geleidingelektronen in bepaalde typen  grafyn, net als in grafeen, extreem snel reizen, maar, uiterst interessant, slechts in één richting. Van deze eigenschap kunnen technici handig gebruik maken om bijvoorbeeld diodes (gelijkrichters) en snellere transistoren (essentiëkle onderdelen in vrijwel alle elektronica, waaronder computerchips) te maken, aldus de ontdekker theoretisch chemicus Andreas Görling van de Duitse universiteit van Erlangen-Neurenberg. Nu moet met allerlei kunst- en vliegwerk het éénrichtingsverkeer, denk aan het combineren van elektronrijke en arme materialen, kunstmatig opgewekt worden wat de productie arbeidsintensief maakt. Door dit nieuwe materiaal hoeft dat niet meer. Ook werken deze onderdelen veel betrouwbaarder omdat ze van nature de eigenschap al hebben.

Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons
Grafeen: een soort atomair kippengaas. Bron: Wikimedia Commons

Wat zijn grafeen en grafyn?
Grafeen krijgt zijn bijzondere eigenschappen door zijn afwijkende structuur. Grafeen bestaat uit een vlak van aan elkaar grenzende zeshoeken, met in elke punt van elke zeshoek een koolstofatoom. Een soort atomair kippengaas. Koolstof heeft vier vrije bindingselektronen, maar in grafeen worden er maar drie gebruikt. Het gevolg is dat de bindingen heen en weer wisselen tussen enkele en dubbele binding, waardoor deze extra sterkte krijgen en het materiaal nauwelijks uit elkaar getrokken kan worden.

In grafyn komen ook C=C bindingen voor. Grafynen hebben dan ook niet het regelmatige zeshoekige honingraatpatroon van grafeen. Omdat de dubbele en driedubbele bindingen op allerlei plaatsen kunnen voorkomen, zijn er een enorm aantal potentiële grafynen – met elk andere eigenschappen. Theoretisch chemici doen al sinds de tachtiger jaren onderzoek naar grafynen, maar pas nu is er voor het eerst naar de elektronische eigenschappen gekeken. Elektronica ligt namelijk ver af van de belevingswereld van chemici.

De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.
De Dirac kegels in grafeen dwingen de elektronen met een hoge vaste snelheid te bewegen.

Dirac kegels
In de meeste elektrische geleiders is de energie van elektronen gelijk aan het kwadraat van hun impuls (dat is massa maal snelheid). De unieke structuur van grafeen maakt dat de elektrische energieniveaus in zogeheten Dirac kegels zijn gestapeld. Het puntje waar beide kegels samenkomen is een vaste combinatie van impuls en energie, m.a.w. elektronen in grafeen hebben daarom altijd dezelfde, hoge, snelheid. Deze bedraagt een significante fractie van de lichtsnelheid.

Görling’s groep heeft deze eigenschappen nu in een computersimulatie bestudeerd, Hierbij ontdekten ze in een bepaalde grafyn – 6,6,12-grafyn,wat een rechthoekig rooster heeft, er nog steeds Dirac kegels bestaan, maar dan in een verwrongen, samengeperste vorm. Het gevolg: elektronen bewegen liever in een bepaalde richting dan in een andere richting.

Nu nog de praktijk
Wel zegt een computersimulatie niet alles. Dit type grafyn zal in werkelijkheid na moeten worden gebouwd en labtests zullen dan uitwijzen of het computermodel klopt. Volgens theoretisch vaste-stof fysicus Mikhail Katsnelson van de Radboud University Nijmegen zijn inderdaad experimenten het definitieve bewijs, maar is de gebruikte techniek, dichtheid-functionele berekeningen, behoorlijk betrouwbaar. Als voorbeeld geeft hij gehydrogeneerde grafeen, een type grafeen dat gebruikt wordt om transistoren te maken. Dit was eerst voorspeld door density-functionele berekeningen en daarna experimenteel geobserveerd.

Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Grafeen komt van nature voor in grafiet, maar tot nu toe is slechts één type grafyn ook daadwerkelijk gesynthetiseerd en dat was niet het 6,6,12-grafyn van Görlings groep. Görling hoopt nu dat synthetisch chemici de handschoen op zullen pakken en zullen proberen het veelbelovende 6,6,12 grafyn in elkaar te knutselen.

Kortom: het lijkt er dus op dat het wondermateriaal grafeen nog maar het topje van de ijsberg vertegenwoordigt. Er ligt een compleet onmbekende klase van nieuwe high-tech materialen op ons te wachten met vermoedelijk allerlei nog onbekende, maar zeer nuttige elektronische en andere eigenschappen.

Bron:
Graphyne Could Be Better Than Graphene, Science Magazine (2012)