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波纹效应:通过扭转3D材料激发新性能

据报道,二维材料引发了材料研究的热潮。现在,当两个这样的层状材料被堆叠并轻微扭曲时就会产生激发效应。石墨烯仅由一层碳原子组成,它的发现是一场全球竞赛的开始信号:今天,所谓的“2D材料”被制造出来,其由不同类型的原子组成。

波纹效应:通过扭转3D材料激发新性能

原子薄层通常具有非常特殊的材料特性,而传统的较厚材料是没有的。

现在,这一领域的研究又增加了新的一章:如果两个这样的二维层以正确的角度堆叠就会出现更多新的可能性。两层原子相互作用的方式产生了复杂的几何图案,而这些图案对材料的性能有着决定性的影响,这是维也纳科技大学和德克萨斯大学的一个研究小组现在证明的。声子--原子的晶格振动--会受到两层材料相互叠加的角度的显著影响。因此,只要对这一层进行微小的旋转则就可以显著地改变材料的属性。

波纹效应

如果两个网格上是完全一致的,那么人们几乎无法通过从上面观察就确定其是否一个或两个网格。但如果现在把其中一个网格转一个小角度,那么有些地方网格的网格点会出现大致匹配有些则不能。这样,有趣的模式就出现了--这就是众所周知的波纹效应(Moiré Effect)。

维也纳科技大学理论物理研究所的Lukas Linhart博士说道:“你可以对两层材料的原子晶格做完全相同的事情。”值得注意的是,这可以极大地改变某些材料的特性--如如果两层石墨烯以正确的方式结合那么它就会成为超导体。

“我们研究了二硫化钼层,它和石墨烯可能是最重要的二维材料之一,”该项目负责人Florian Libisch教授表示,“如果你把这种材料的两层相互叠加,那么所谓的范德华力久会发生在这两层的原子之间。虽然这些力量相对较弱,但它们足以完全改变整个系统的行为。”

波纹效应:通过扭转3D材料激发新性能

在复杂的计算机模拟中,研究小组分析了由这些弱附加力引起的新双层结构的量子力学状态以及这如何影响两层原子的振动。

旋转角度很重要

“如果你把这两层稍微扭一下,范德华力就会导致这两层的原子稍微改变它们的位置,”来自奥斯汀德克萨斯大学的Jiamin Quan博士说道。他在德克萨斯州领导了实验,该实验结果证实了计算结果:旋转角度可以用来调整物质中哪些原子振动在物理上是可能的。

“就材料科学而言,以这种方式控制声子振动是一件很重要的事情,”Lukas Linhart表示,“事实上,二维材料的电子特性可以通过将两层材料结合在一起而改变,这一点我们以前已经知道了。但事实上,材料中的机械振荡也可以被它控制现在为我们打开了新的可能性。声子与电磁性质密切相关。因此,通过材料中的振动,人们可以以一种控制的方式干预重要的多体效应。”在首次描述了声子的效应之后,研究人员现在正试图描述声子和电子的结合以希望了解更多关于超导等重要现象的信息。

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