物理學家加快了對革命性人造原子材料的搜尋

巴斯大學的科學家朝著理解堆疊成堆的原子薄材料層之間的相互作用邁出了重要的一步。他們希望他們的研究將加速新的人造材料的發現，從而導致設計出比當今已知的任何產品都小得多且效率更高的電子組件。

在電子電路領域，較小的總是更好的，但是在不使硅組件過熱和散落的情況下，可以將其縮小的程度是有極限的，我們已經接近了極限。研究人員正在研究一組可以組裝成堆的原子薄材料。任何最終材料的特性都取決于原材料的選擇以及取決于一層在另一層之上排列的角度。

物理系負責這項研究的Marcin Mucha-Kruczynski博士說：“我們找到了一種方法，可以確定堆疊中不同層中的原子相互耦合的強度，并且已經證明了我們對由石墨烯層制成的結構的想法。”

巴斯研究發表在《自然通訊》上，該研究基于石墨烯的早期工作，石墨烯是一種以蜂窩狀設計排列的薄片碳原子為特征的晶體。麻省理工學院(MIT)的科學家在2018年發現，當堆疊兩層石墨烯然后相對彼此扭曲1.1度的``魔力''角時，它們會產生具有超導特性的材料。這是科學家第一次創造一種完全由碳制成的超導材料。然而，這些性質隨著兩層石墨烯之間最小的角度變化而消失。

自從麻省理工學院發現以來，世界各地的科學家一直試圖將這種“堆積和扭曲”現象應用于其他超薄材料，將兩個或多個原子不同的結構放在一起，以期形成具有特殊品質的全新材料。

Mucha-Kruczynski博士說：“在自然界，找不到每個原子層都不同的材料。” “此外，兩種材料通常只能以一種特定的方式放在一起，因為需要在層之間形成化學鍵。但是對于像石墨烯這樣的材料，只有同一平面上原子之間的化學鍵很強。平面之間的力是已知的由于范德華相互作用很弱，這使得材料層可以相互扭曲。”

現在，科學家面臨的挑戰是使發現新的分層材料的過程盡可能高效。通過找到一個公式，當兩種或多種材料堆疊在一起時，他們可以預測結果，他們將能夠極大地簡化他們的研究。

Mucha-Kruczynski博士及其牛津大學，北京大學和意大利ELETTRA同步加速器的合作者都希望在這一領域有所作為。

Mucha-Kruczynski博士說：“材料的組合數量以及可扭曲的角度數量太大，無法在實驗室中進行嘗試，因此我們可以預測的內容很重要。”

研究人員已經表明，兩個層之間的相互作用可以通過研究的三來確定層，其中兩層被組裝為你可能在自然界中發現的結構，而第三扭轉。他們使用了角度分辨光發射光譜法(該過程中，強大的光從樣品中發射出電子，從而可以測量電子的能量和動量，從而提供了對材料性質的了解)，以確定在一個碳原子上兩個碳原子的強度。彼此給定的距離是耦合的。他們還證明，即使層之間的扭曲程度不同，其結果也可用于預測由相同層組成的其他堆疊的屬性。

石墨烯等已知的原子薄材料的清單一直在增長。它已經包含了數十個條目，這些條目顯示了從絕緣到超導，從透明到光學活性，從脆性到柔韌性的各種特性。最新發現提供了一種實驗確定這些材料中任何一層之間相互作用的方法。這對于預測更復雜的堆棧的性能以及有效設計新設備至關重要。

Mucha-Kruczynski博士認為，要找到新的堆疊和扭曲的材料來實際應用，可能還需要10年的時間。他說：“石墨烯從實驗室轉移到通常意義上有用的東西用了十年時間，因此樂觀地暗示，我希望類似的時間表適用于新材料。”

Mucha-Kruczynski博士和他的團隊根據他最新的研究結果，現在將重點放在由過渡金屬雙金屬鹵化物(一大堆具有兩種截然不同的原子類型-金屬和硫屬元素，例如硫)。這些堆棧中的一些已顯示出引人入勝的電子行為，科學家尚無法解釋。

Mucha-Kruczynski博士解釋說：“因為我們要處理兩種截然不同的材料，所以研究這些疊層非常復雜。” “但是，我們希望我們能夠及時預測各種堆疊的性能，并設計出新型的多功能材料。”