Altı yıl önce yapılan bir keşif, yoğun madde fiziği dünyasını kasıp kavurdu: Hafifçe çarpık iki katman halinde istiflenen ultra ince karbon, bir süper iletken haline geldi ve katmanlar arasındaki bükülme açısını değiştirmek, bunların elektriksel özelliklerini değiştirebilir. “Sihirli açılı grafen süper örgülerini” tanımlayan 2018 dönüm noktası niteliğindeki makale, “twistronics” adı verilen yeni bir alanı başlattı ve ilk yazar, o zamanlar MIT yüksek lisans öğrencisi ve yeni Bilim Kıdemli Üyesi Yuan Cao'ydu.
Cao ve meslektaşları, Bilim'lı fizikçiler Amir Yacoby, Eric Mazur ve diğerleriyle birlikte bu temel çalışmayı geliştirdiler ve birçok malzeme türünü bükmenin ve incelemenin daha kolay bir yolunu icat ederek daha fazla büküm bilimi biliminin yolunu açtılar.
Nature dergisindeki yeni bir makale, ekibin, bükülmüş cihazları tek tek üretme ihtiyacını ortadan kaldırarak, ince malzemeleri isteğe göre bükebilen tırnak büyüklüğündeki makinesini anlatıyor. Kolayca incelenebilen ve değiştirilebilen özelliklere sahip ince, 2 boyutlu malzemeler, diğer şeylerin yanı sıra, daha yüksek performanslı transistörler, güneş pilleri gibi optik cihazlar ve kuantum bilgisayarlar için çok büyük anlamlara sahiptir.
Bilim fizik ve uygulamalı fizik profesörü Yacoby, “Bu gelişme, bükmeyi 2 boyutlu malzemelerin elektron yoğunluğunu kontrol etmek kadar kolay hale getiriyor” dedi. “Yoğunluğu kontrol etmek, düşük boyutlu maddedeki yeni madde aşamalarını keşfetmek için birincil düğme olmuştur ve artık hem yoğunluğu hem de bükülme açısını kontrol edebiliyoruz, böylece keşif için sonsuz olasılıklar açabiliyoruz.”
Cao, ilk kez MIT'den Pablo Jarillo-Herrero'nun laboratuvarında yüksek lisans öğrencisiyken bükülmüş çift katmanlı grafen yaptı. Her ne kadar heyecan verici olsa da başarı, gerçek değişimin kopyalanmasıyla ilgili zorluklarla dengelendi.
Cao, o zamanlar her bükümlü cihazın üretilmesinin zor olduğunu ve bunun sonucunda da benzersiz ve zaman alıcı olduğunu açıkladı. Bu cihazlarla bilim yapabilmek için onlarca, hatta yüzlercesine ihtiyaçları vardı. Cao, “hepsini bükecek tek bir cihaz” yapıp yapamayacaklarını merak ettiklerini söyledi; iki katman malzemeyi istediği gibi bükebilen ve yüzlerce benzersiz numuneye olan ihtiyacı ortadan kaldıran bir mikro makine. Yeni cihazlarına 2 boyutlu malzemeler için MEMS (mikro elektromekanik sistem) tabanlı genel çalıştırma platformu veya kısaca MEGA2D adını veriyorlar.
Yacoby ve Mazur laboratuvarları, grafen ve diğer malzemelere genelleştirilebilen bu yeni araç kitinin tasarımı üzerinde işbirliği yaptı.
Kaliforniya Berkeley Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Cao, “MEGA2D teknolojimiz aracılığıyla bu yeni 'düğmeyi' kullanarak, bükülmüş grafen ve diğer malzemelerdeki temel bulmacaların çoğunun kolayca çözülebileceğini öngörüyoruz” dedi. “Kesinlikle yol boyunca başka yeni keşifleri de beraberinde getirecek.”
Makalede araştırmacılar, grafenin yakın akrabası olan iki parça altıgen bor nitrür ile cihazlarının faydasını gösterdiler. İki katmanlı cihazın optik özelliklerini inceleyerek, imrenilen topolojik özelliklere sahip yarı parçacıkların kanıtlarını bulmayı başardılar.
Yeni sistemlerinin kolaylığı, örneğin düşük kayıplı optik iletişim için kullanılabilecek ışık kaynakları üretmek için altıgen bor nitrür büküm elektroniğinin kullanılması gibi birçok bilimsel yolu açıyor.
Cao, “Yaklaşımımızın bu başarılı alandaki diğer birçok araştırmacı tarafından benimseneceğini ve herkesin bu yeni yeteneklerden yararlanabileceğini umuyoruz” dedi.
Makalenin ilk yazarı, Mazur'un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve Bilim Kuantum Girişimi üyesi olan nanobilim ve optik uzmanı Haoning Tang'dır ve MEGA2D teknolojisini geliştirmenin uzun bir deneme yanılma süreci olduğunu belirtmiştir.
“2 boyutlu malzemelerin arayüzlerini gerçek zamanlı olarak nasıl kontrol edebileceğimiz hakkında pek bir şey bilmiyorduk ve mevcut yöntemler de bunu kesmiyordu” dedi. “Temiz odada sayısız saatler geçirdikten ve MEMS tasarımını geliştirdikten sonra – birçok başarısız denemeye rağmen – yaklaşık bir yıllık deneylerden sonra nihayet çalışan çözümü bulduk.” Tang, tüm nanofabrikasyonun Bilim'ın Nano Ölçekli Sistemler Merkezi'nde gerçekleştiğini ve burada personelin çok değerli teknik destek sağladığını ekledi.
Balkanski Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Mazur, “MEMS teknolojisini iki katmanlı bir yapıyla birleştiren bir cihazın nano imalatı gerçek bir güç gösterisidir” dedi. “Sonuçta ortaya çıkan cihazın doğrusal olmayan tepkisini ayarlayabilmek, optik ve fotonik alanında yepyeni bir cihaz sınıfının kapısını açıyor.”
Araştırmanın federal finansmanı, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Ordu Araştırma Ofisi, ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından sağlandı.
Cao ve meslektaşları, Bilim'lı fizikçiler Amir Yacoby, Eric Mazur ve diğerleriyle birlikte bu temel çalışmayı geliştirdiler ve birçok malzeme türünü bükmenin ve incelemenin daha kolay bir yolunu icat ederek daha fazla büküm bilimi biliminin yolunu açtılar.
Nature dergisindeki yeni bir makale, ekibin, bükülmüş cihazları tek tek üretme ihtiyacını ortadan kaldırarak, ince malzemeleri isteğe göre bükebilen tırnak büyüklüğündeki makinesini anlatıyor. Kolayca incelenebilen ve değiştirilebilen özelliklere sahip ince, 2 boyutlu malzemeler, diğer şeylerin yanı sıra, daha yüksek performanslı transistörler, güneş pilleri gibi optik cihazlar ve kuantum bilgisayarlar için çok büyük anlamlara sahiptir.
Bilim fizik ve uygulamalı fizik profesörü Yacoby, “Bu gelişme, bükmeyi 2 boyutlu malzemelerin elektron yoğunluğunu kontrol etmek kadar kolay hale getiriyor” dedi. “Yoğunluğu kontrol etmek, düşük boyutlu maddedeki yeni madde aşamalarını keşfetmek için birincil düğme olmuştur ve artık hem yoğunluğu hem de bükülme açısını kontrol edebiliyoruz, böylece keşif için sonsuz olasılıklar açabiliyoruz.”
Cao, ilk kez MIT'den Pablo Jarillo-Herrero'nun laboratuvarında yüksek lisans öğrencisiyken bükülmüş çift katmanlı grafen yaptı. Her ne kadar heyecan verici olsa da başarı, gerçek değişimin kopyalanmasıyla ilgili zorluklarla dengelendi.
Cao, o zamanlar her bükümlü cihazın üretilmesinin zor olduğunu ve bunun sonucunda da benzersiz ve zaman alıcı olduğunu açıkladı. Bu cihazlarla bilim yapabilmek için onlarca, hatta yüzlercesine ihtiyaçları vardı. Cao, “hepsini bükecek tek bir cihaz” yapıp yapamayacaklarını merak ettiklerini söyledi; iki katman malzemeyi istediği gibi bükebilen ve yüzlerce benzersiz numuneye olan ihtiyacı ortadan kaldıran bir mikro makine. Yeni cihazlarına 2 boyutlu malzemeler için MEMS (mikro elektromekanik sistem) tabanlı genel çalıştırma platformu veya kısaca MEGA2D adını veriyorlar.
Yacoby ve Mazur laboratuvarları, grafen ve diğer malzemelere genelleştirilebilen bu yeni araç kitinin tasarımı üzerinde işbirliği yaptı.
Kaliforniya Berkeley Üniversitesi'nde yardımcı doçent olan Cao, “MEGA2D teknolojimiz aracılığıyla bu yeni 'düğmeyi' kullanarak, bükülmüş grafen ve diğer malzemelerdeki temel bulmacaların çoğunun kolayca çözülebileceğini öngörüyoruz” dedi. “Kesinlikle yol boyunca başka yeni keşifleri de beraberinde getirecek.”
Makalede araştırmacılar, grafenin yakın akrabası olan iki parça altıgen bor nitrür ile cihazlarının faydasını gösterdiler. İki katmanlı cihazın optik özelliklerini inceleyerek, imrenilen topolojik özelliklere sahip yarı parçacıkların kanıtlarını bulmayı başardılar.
Yeni sistemlerinin kolaylığı, örneğin düşük kayıplı optik iletişim için kullanılabilecek ışık kaynakları üretmek için altıgen bor nitrür büküm elektroniğinin kullanılması gibi birçok bilimsel yolu açıyor.
Cao, “Yaklaşımımızın bu başarılı alandaki diğer birçok araştırmacı tarafından benimseneceğini ve herkesin bu yeni yeteneklerden yararlanabileceğini umuyoruz” dedi.
Makalenin ilk yazarı, Mazur'un laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve Bilim Kuantum Girişimi üyesi olan nanobilim ve optik uzmanı Haoning Tang'dır ve MEGA2D teknolojisini geliştirmenin uzun bir deneme yanılma süreci olduğunu belirtmiştir.
“2 boyutlu malzemelerin arayüzlerini gerçek zamanlı olarak nasıl kontrol edebileceğimiz hakkında pek bir şey bilmiyorduk ve mevcut yöntemler de bunu kesmiyordu” dedi. “Temiz odada sayısız saatler geçirdikten ve MEMS tasarımını geliştirdikten sonra – birçok başarısız denemeye rağmen – yaklaşık bir yıllık deneylerden sonra nihayet çalışan çözümü bulduk.” Tang, tüm nanofabrikasyonun Bilim'ın Nano Ölçekli Sistemler Merkezi'nde gerçekleştiğini ve burada personelin çok değerli teknik destek sağladığını ekledi.
Balkanski Fizik ve Uygulamalı Fizik Profesörü Mazur, “MEMS teknolojisini iki katmanlı bir yapıyla birleştiren bir cihazın nano imalatı gerçek bir güç gösterisidir” dedi. “Sonuçta ortaya çıkan cihazın doğrusal olmayan tepkisini ayarlayabilmek, optik ve fotonik alanında yepyeni bir cihaz sınıfının kapısını açıyor.”
Araştırmanın federal finansmanı, Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı, Ordu Araştırma Ofisi, ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından sağlandı.