人类研究电荷已有数千年的历史,其结果塑造了现代文明。我们的日常生活取决于电照明,智能手机,汽车和计算机,这是第一个注意到静电冲击或闪电的人无法想象的。

现在,东北大学的物理学家发现了一种控制电荷的新方法。而且,我们技术的未来变化可能是巨大的。

物理学副教授Swastik Kar说:“发现这种现象时,想象力便是极限。” “它可能会改变我们检测和传达信号的方式。它可能会改变我们感知事物和信息存储的方式,以及我们甚至可能尚未想到的可能性。”

无论我们是试图从太阳中获取能量还是在手机上玩植物大战僵尸,移动,操纵和存储电子的能力都是绝大多数现代技术的关键。在Nanoscale上发表的一篇论文中,研究人员描述了一种使电子做全新的方法:将自身均匀地分布成固定的晶体图案。

卡尔说:“我很想说这几乎是一个新的阶段。” “因为它纯粹是电子的。”

这种现象在研究人员使用只有几原子厚的晶体材料(称为2-D材料)进行实验时出现。这些材料是由重复的原子图案组成的,就像一个无尽的棋盘一样,它们是如此之薄,以至于其中的电子只能在二维中运动。

堆叠这些超薄材料可能会产生异常效果,因为这些层在量子水平上相互作用。

Kar和他的同事们正在研究两种二维材料,硒化铋和过渡金属二卤化钨,它们像纸一样彼此叠放。那是事情开始变得怪异的时候。

电子应该互相排斥,它们带有负电荷,并远离其他带负电荷的事物。但这不是这些层中的电子在做什么。他们正在形成一个固定的模式。

卡尔说:“在某些角度,这些材料似乎形成了一种共享电子的方式,最终形成了这种几何周期性的第三晶格。” “完全可重复的纯电子水坑阵列位于两层之间。”

最初,Kar认为结果是错误的。二维材料的晶体结构太小,无法直接观察,因此物理学家使用特殊的显微镜发射电子束而不是光。电子通过材料时,它们会相互干扰并形成图案。特定的图案(以及大量数学运算)可用于重新创建2D材料的形状。

当最终的图案显示出第三层不可能来自其他两个层时,Kar认为在创建材料或测量过程中出现了问题。以前已经观察到类似现象,但仅在极低的温度下才观察到。Kar的观察是在室温下进行的。

“你有没有走进草地上,看到一棵苹果树,上面挂着芒果?” 卡尔问。“当然,我们认为出了点问题。这不可能发生。”

但是在经过博士生扎卡里亚·亨尼格豪森(Zachariah Hennighausen)的反复测试和实验后,他们的结果保持不变。在二维材料之间出现了一种新的带电斑点的格子样式。而且该图案随两个夹心层的方向而变化。

当卡尔和他的团队一直在进行实验研究时,东北大学的杰出物理学教授阿伦·班西尔(Arun Bansil)和博士生奇斯托弗·莱恩(Chistopher Lane)正在研究理论可能性,以了解这是如何发生的。

Bansil解释说,材料中的电子总是在附近反弹,因为它们被原子带正电的原子核所吸引,并被其他带负电的电子所排斥。但是在这种情况下,关于这些电荷的布置方式的一些事情是将电子聚集在特定的模式中。

班西尔说:“它们会在这些区域产生潜在的景观中存在某种沟渠的区域,这些沟渠足以迫使这些电子产生这些电荷坑。” “电子会形成水坑的唯一原因是因为那里有一个潜在的空穴。”

可以说,这些沟渠是由量子力学和物理因素共同造成的。

当两个重复的花样或网格错开时,它们会合并以创建一个新的花样(您可以通过重叠两个平梳的齿在家中复制该花样)。每种二维材料都具有重复结构,研究人员证明了当这些材料堆叠在一起时产生的图案决定了电子将在何处终止。

卡尔说:“这是量子力学从根本上有利于水坑滞留的地方。” “它几乎引导着那些电子水坑留在那儿,没有其他地方。这很着迷。”

尽管对这种现象的了解还处于起步阶段,但它有可能影响电子,传感和检测系统以及信息处理的未来。

卡尔说:“目前的兴奋之处在于,它能够潜在地证明人们从未想过在室温下可能存在的某些东西。” “现在,就如何利用天空而言,天空是极限。”

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