Για πρώτη φορά στην ιστορία της επιστήμης, ερευνητές κατάφεραν να καταγράψουν άμεσα τις θερμικές δονήσεις μεμονωμένων ατόμων, αποκαλύπτοντας μια «κρυφή» κίνηση που είχε προβλεφθεί θεωρητικά εδώ και δεκαετίες, αλλά παρέμενε αόρατη μέχρι σήμερα. Η πρωτοποριακή αυτή ανακάλυψη ήρθε από την ερευνητική ομάδα της Yichao Zhang, επίκουρης καθηγήτριας στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου του Maryland. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 24 Ιουλίου στο επιστημονικό περιοδικό Science.
Η Zhang ανέπτυξε μια νέα τεχνική μικροσκοπίας ηλεκτρονίων, με την οποία κατάφερε να απεικονίσει απευθείας τα λεγόμενα “moiré phasons“, ένα φυσικό φαινόμενο που επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά υλικών δύο διαστάσεων, ιδίως ως προς την υπεραγωγιμότητα και την αγωγιμότητα θερμότητας. Τα υλικά δύο διαστάσεων είναι εξαιρετικά λεπτές επιφάνειες πάχους λίγων νανομέτρων, που τα τελευταία χρόνια αποτελούν αντικείμενο έντονης μελέτης λόγω των πιθανών εφαρμογών τους στην κβαντική τεχνολογία και στα ηλεκτρονικά νέας γενιάς.
Τα moiré phasons εμφανίζονται σε αυτά τα στριμμένα δισδιάστατα υλικά και σχετίζονται με μοτίβα που δημιουργούνται όταν δύο παρόμοια πλέγματα ατόμων τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο με μικρή περιστροφή. Μέχρι πρόσφατα, η ανίχνευση αυτών των φαινομένων ήταν εξαιρετικά δύσκολη, γεγονός που εμπόδιζε την πλήρη κατανόηση της συμπεριφοράς των υλικών αυτών. Ωστόσο, η τεχνική που εφάρμοσε η Zhang – γνωστή ως ηλεκτρονική πτυχογραφία – πέτυχε ανάλυση μεγαλύτερη από κάθε άλλη μέχρι σήμερα, φτάνοντας σε διακριτική ικανότητα κάτω των 15 picometer, αρκετή ώστε να αποτυπώσει ακόμα και το θόλωμα που προκαλείται από τις θερμικές δονήσεις ενός μόνο ατόμου.
Χάρη στην ηλεκτρονική πτυχογραφία, η ομάδα της Zhang κατάφερε να αποδείξει ότι τα moiré phasons δεν είναι απλώς μια αφηρημένη θεωρία, αλλά έχουν κυρίαρχο ρόλο στις τοπικές δονήσεις των ατόμων στα δισδιάστατα υλικά. Η ανακάλυψη αυτή ανατρέπει προηγούμενες αντιλήψεις και ανοίγει τον δρόμο για μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση των φαινομένων που διέπουν τη λειτουργία των νανοϋλικών.
Η ίδια η Zhang χαρακτήρισε τη νέα τεχνική ως «αποκωδικοποίηση μιας κρυφής γλώσσας της ατομικής κίνησης», προσθέτοντας ότι η δυνατότητα να βλέπει κανείς άμεσα αυτές τις λεπτές δονήσεις δημιουργεί νέα εργαλεία για την εξερεύνηση άγνωστων πτυχών της Φυσικής. Όπως υποστήριξε, η νέα μέθοδος θα επιταχύνει τις ανακαλύψεις σε τομείς όπως τα κβαντικά υλικά δύο διαστάσεων, προσφέροντας πολύτιμες πληροφορίες για τη σχεδίαση μελλοντικών τεχνολογιών.
Η μελέτη έχει διττό αντίκτυπο. Πρώτον, επιβεβαιώνει θεωρητικές προβλέψεις που είχαν γίνει δεκαετίες πριν για την ύπαρξη και τη λειτουργία των moiré phasons. Δεύτερον – και ίσως σημαντικότερο – αποδεικνύει ότι είναι πλέον δυνατόν να χαρτογραφηθεί η θερμική δόνηση σε ατομικό επίπεδο με ακρίβεια που δεν είχε επιτευχθεί ποτέ στο παρελθόν. Μέχρι τώρα, οι θερμικές κινήσεις των ατόμων μπορούσαν να μελετηθούν μόνο έμμεσα, μέσα από μαθηματικά μοντέλα ή στατιστικές εκτιμήσεις. Η Zhang και η ομάδα της έκαναν το φαινομενικά αδύνατο ορατό.
Το επόμενο βήμα της ερευνητικής ομάδας είναι να εξετάσει πώς οι θερμικές δονήσεις επηρεάζονται από ατέλειες και διεπαφές στα κβαντικά και ηλεκτρονικά υλικά. Εάν οι ερευνητές καταφέρουν να ελέγξουν τις μικροσκοπικές αυτές κινήσεις, θα μπορούσαν να σχεδιάσουν νέα υλικά με εξειδικευμένες θερμικές, ηλεκτρονικές ή οπτικές ιδιότητες. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να φέρει επανάσταση σε τομείς όπως η κβαντική πληροφορική, τα ενεργειακά αποδοτικά κυκλώματα, ακόμη και οι αισθητήρες σε νανοκλίμακα.
[via]
