Pokonywanie wyzwań związanych z transportem elektronów przez nanostruktury grafenu

Nic na świecie nie jest idealne. Dotyczy to również badań materiałowych. W symulacjach komputerowych często przedstawia się system w bardzo idealistyczny sposób. Można na przykład obliczyć, jakie właściwości miałby absolutnie doskonały kryształ. Jednak w praktyce zawsze mamy do czynienia z dodatkowymi efektami – z defektami sieci krystalicznej, z dodatkowymi cząsteczkami wiążącymi się z materią, ze złożonymi interakcjami pomiędzy cząsteczkami. Zatem zasadnicze pytanie brzmi: czy te nieuniknione dodatkowe efekty zmieniają właściwości materii, czy nie?

Jest to szczególnie interesujące w przypadku dwuwymiarowego materiału grafenowego, który składa się tylko z jednej warstwy atomów węgla. Od dawna wiadomo, że grafen ma doskonałe właściwości elektroniczne. Nie było jednak jeszcze jasne, jak stabilne są te właściwości. Czy nieuniknione w praktyce zakłócenia i dodatkowe wpływy niszczą je, czy też pozostają nienaruszone?

Naukowcom z TU Wien (Wiedeń) udało się opracować kompleksowy model komputerowy realistycznych struktur grafenu. Okazuje się, że pożądane efekty są bardzo trwałe. Nawet kawałki grafenu, które nie są całkiem doskonałe, można dobrze wykorzystać w zastosowaniach technologicznych. To dobra wiadomość dla globalnej społeczności zajmującej się grafenem. Wyniki badań publikowane są w czasopiśmie węgiel.

Wiele ścieżek prowadzi przez grafen

„Obliczamy w skali atomowej, jak prąd elektryczny rozchodzi się w małym kawałku grafenu” – mówi profesor Florian Liebisch z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien. „Elektron może poruszać się w materii na różne sposoby. Zgodnie z zasadami fizyki kwantowej nie musi wybierać jednej z tych ścieżek; elektron może podążać kilkoma drogami jednocześnie”.

Te różne ścieżki mogą następnie nakładać się na siebie na różne sposoby. Przy bardzo określonych wartościach energii ścieżki znoszą się wzajemnie; Przy tej energii prawdopodobieństwo przejścia elektronów przez kawałek grafenu jest bardzo niskie, a prąd elektryczny minimalny. Nazywa się to „destrukcyjną ingerencją”.

„Fakt, że przepływ prądu maleje wykładniczo przy bardzo określonych wartościach energii ze względów fizyki kwantowej, jest efektem bardzo pożądanym z technologicznego punktu widzenia” – wyjaśnia Liebisch. „Można to wykorzystać na przykład do przetwarzania informacji w mikroskali, podobnie jak komponenty elektroniczne w chipach komputerowych”.

Można go także wykorzystać do opracowania nowych czujników kwantowych. Załóżmy, że kawałek grafenu w ogóle nie przewodzi prądu. Następnie nagle cząsteczka przykleja się od zewnątrz do powierzchni grafenu. „Cząsteczka ta nieznacznie zmienia właściwości elektroniczne kawałka grafenu, a to może wystarczyć, aby nagle i bardzo radykalnie zwiększyć przepływ prądu” – mówi dr Robert Stadler. „Można to wykorzystać do stworzenia bardzo czułych czujników”.

Wiele możliwych interwencji

Ale efekty fizyczne, które odgrywają rolę w szczegółach, są bardzo złożone. „Rozmiar i kształt kawałka grafenu nie zawsze są takie same, a w ciele zachodzi wiele interakcji między kilkoma elektronami, które są trudne do matematycznego obliczenia. W niektórych miejscach mogą znajdować się niepożądane dodatkowe atomy, a atomy zawsze chybotają się. trochę” – mówi dr Angelo Valli. jest brany pod uwagę, abyśmy mogli opisać materiał grafen w naprawdę realistyczny sposób.

Dokładnie to udało się obecnie osiągnąć na TU Wien: Angelo Valli, Rupert Stadler, Thomas Fabian i Florian Liebisch mają wieloletnie doświadczenie w prawidłowym opisywaniu różnych efektów materiałów w modelach komputerowych. Łącząc swoją wiedzę, udało im się opracować kompleksowy model komputerowy obejmujący wszystkie istotne źródła błędów i efektów zakłóceń obecne na wykresach.

W ten sposób udało im się wykazać, że nawet w obecności tych źródeł błędów pożądane efekty są nadal widoczne. Nadal możliwe jest znalezienie takiej energii, w której prąd płynie w bardzo niewielkim stopniu ze względu na efekty kwantowe. Eksperymenty wykazały już, że jest to prawdopodobne, ale jak dotąd brakowało systematycznych badań teoretycznych.

Dowodzi to, że grafen nie musi być idealny do zastosowania w informatyce kwantowej czy wykrywaniu kwantowym. Dla badań stosowanych w tej dziedzinie jest to ważny komunikat: światowe wysiłki mające na celu wykorzystanie efektów kwantowych w grafenie w kontrolowany sposób są rzeczywiście obiecujące.