Forschung verläuft oft als mehrstufiger Prozess. Die Lösung einer Frage kann zu mehreren weiteren Fragen führen und Wissenschaftler dazu inspirieren, weiter zu gehen und das größere Problem aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten. Solche Projekte können oft der Katalysator für Kooperationen sein, die das Fachwissen und die Fähigkeiten verschiedener Teams und Institutionen nutzen, während sie wachsen.
Seit einem halben Jahrhundert beschäftigen sich Wissenschaftler mit den Geheimnissen des 1T-Phasen-Tantaldisulfids (1T-TaS).2), ein anorganisches Schichtmaterial mit einigen faszinierenden Quanteneigenschaften wie Supraleitung und Ladungsdichtewellen (CDW).
Um die komplexe Struktur und das Verhalten dieses Materials zu entschlüsseln, wandten sich Forscher des Jozef-Stefan-Instituts in Slowenien und der Université Paris-Saclay in Frankreich an Experten, die die Pair Distribution Function (PDF)-Strahllinie an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) nutzen ), einer Benutzereinrichtung des Office of Science des US-Energieministeriums (DOE) im Brookhaven National Laboratory des DOE, um mehr über die Struktur des Materials zu erfahren.
Während das Team in Slowenien diese Art von Materialien jahrzehntelang untersucht hatte, fehlte ihnen die spezifische strukturelle Charakterisierung, die PDF bieten könnte.
Die Ergebnisse dieser Zusammenarbeit wurden kürzlich veröffentlicht in Nature Communications veröffentlicht enthüllte einen verborgenen elektronischen Zustand, der nur mit einer lokalen Struktursonde wie der Paarverteilungsfunktionstechnik erkannt werden konnte. Mit einem umfassenderen Verständnis von 1T-TaS2Aufgrund der elektronischen Zustände könnte dieses Material eines Tages eine Rolle bei der Datenspeicherung, Quantencomputer und Supraleitung spielen.
Ein besserer Aussichtspunkt sorgt für eine bessere Sicht
Wenn Wissenschaftler ein Material untersuchen, möchten sie manchmal sehen, wie Atome im kurzen Bereich – einer 10-Nanometer-Skala – angeordnet sind, und manchmal möchten sie sehen, wie sich die Muster in einer Atomstruktur über einen langen Bereich, beispielsweise im Mikrometerbereich, wiederholen .
Der Unterschied zwischen diesen Maßstäben ist vergleichbar mit der Betrachtung einiger verschiedener Gebäude in einer Straße und der Art und Weise, wie Gebäude über mehrere Stadtblöcke hinweg angeordnet sind. Jede dieser Aufgaben erfordert einen ganz anderen Standpunkt. Bei der Untersuchung der Eigenschaften eines Materials können Forscher bestimmte Verhaltensweisen möglicherweise nur auf einer bestimmten Längenskala erkennen.
„Wir führen verschiedene Arten von Messungen an der Beamline durch“, erklärte die leitende Beamline-Wissenschaftlerin Milinda Abeykoon. „Normalerweise verwenden wir Röntgenpulverbeugung (XRD), um die Fernordnung einer Probe zu charakterisieren, aber bei diesem Material vermuteten wir die Koexistenz von Nahordnungsmerkmalen, die zu seinen interessanten Eigenschaften führen könnten, also PDF ideal für diese Art der Strukturcharakterisierung.
„Die Strahllinie verfügt außerdem über spezielle Geräte, wie die Kombination aus Kryostream und Heißluftgebläse, was für uns von entscheidender Bedeutung war, um einige der subtilen temperaturabhängigen Merkmale dieses Materials über einen sehr breiten Temperaturbereich zu entdecken.“
„Man kann ein Material haben, das wie ein ideales, weiträumig geordnetes System aussieht, wenn man es mit XRD beobachtet, aber Strukturabweichungen in einem kürzeren Maßstab können bei der Verwendung von PDF erkannt werden“, sagte Emil Bozin, ein Wissenschaftler, der die PDF-Forschung innerhalb des Instituts leitet Abteilung für Physik und Materialwissenschaft der kondensierten Materie (CMPMS) am Brookhaven National Laboratory und einer der Hauptautoren dieses Artikels.
„Wenn wir diese Technik nicht angewendet hätten, hätten wir nicht erkennen können, dass es tatsächlich eine versteckte Nahordnung im System gibt, die allen bisher verwendeten Sonden entgangen ist. Es gibt einen wichtigen lokalen strukturellen Aspekt.“
1T-TaS2: Ein vielschichtiges Material voller Überraschungen
Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) sind eine Materialklasse, die aus atomar dünnen Schichten besteht. TMDs verfügen über ein Übergangsmetall, das sich zwischen zwei Schichten aus Chalkogenen befindet, Materialien, die Sauerstoff, Schwefel und Selen enthalten. Jede dieser Materialschichten ist nur ein Atom dick – ein Millionstel der Dicke einer menschlichen Haarsträhne.
Im Fall von 1T-TaS2, eine dünne Tantalschicht ist zwischen zwei Schwefelschichten eingebettet. Jedes Material hat seine eigene, besondere Schichtstruktur, aber wenn die Schichten kombiniert werden, interagieren Elektronen in dieser unterschiedlichen Umgebung miteinander und erzeugen neue Eigenschaften.
TMDs werden seit vielen Jahrzehnten untersucht, da sie beim Abkühlen faszinierende und dennoch komplexe CDWs aufweisen. Bei CDWs handelt es sich um eine besonders weiträumig geordnete Angleichung von Gebühren, die durch verschiedene Faktoren bestimmt werden kann; In verschiedenen TMD-Materialien stapeln sich die Schichten auf subtile Weise. Wie sich die Struktur selbst ordnet, schafft ein ganz spezifisches System.
1T-TaS2 ist in vielerlei Hinsicht etwas Besonderes. Wie andere TMDs weist es dieses CDW auf, aber im Gegensatz zu den anderen, die metallisch bleiben, also den elektrischen Strom gut leiten, ist dieses spezielle System in seinem CDW-Zustand tatsächlich isolierend.
CDW ist ein Quantenphänomen, das die Bewegung von Elektronen beinhaltet, die ein sich wiederholendes Muster innerhalb eines Materials bilden. Diese Anordnung beeinflusst die elektronischen und strukturellen Eigenschaften des Materials und eröffnet ihm verschiedene Anwendungen, darunter Speicher und Sensoren Technologieund Quantencomputing.
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal von 1T-TaS2 ist, dass es ein Kandidatenmaterial für Quantenspinflüssigkeit ist. Quantenspinflüssigkeiten sind paramagnetische Systeme, das heißt, das Material weist keine magnetische Fernordnung auf. Aufgrund von Quantenfluktuationen ordnet sich ihr Spin auch bei niedrigen Temperaturen nie an. Diese Materialien zeichnen sich durch Quantenverschränkung aus, was Forscher auf dem Gebiet der topologischen Quantenberechnung auf sie aufmerksam gemacht hat.
„Dies ist ein Konzept, das im theoretischen Sinne eingehend erforscht wurde“, sagte Bozin, „aber es gibt nur wenige Daten über die Umsetzung dieser Konzepte im tatsächlichen System.“ Obwohl wir dieses Problem in unserer Studie nicht direkt angehen, ist es eines der Hauptmerkmale dieses Materials, das es so interessant macht. Wenn sich herausstellt, dass der theoretische Spinflüssigkeitszustand dieses Materials tatsächlich stabilisiert werden kann, eröffnet das neue Möglichkeiten in der Welt der Quanteninformationswissenschaft.“
Neue Phasen beleuchten
„1T-TaS2 ist nicht nur wegen seines Potenzials im Quantencomputing interessant. Es gibt auch Anwendungen in der klassischen Informatik, die von unmittelbarerem praktischem Interesse sind“, sagte Dragan Mihailovic, Leiter der Abteilung für komplexe Materie am Jozef-Stefan-Institut in Slowenien und einer der Hauptautoren dieser Arbeit.
„Wir haben herausgefunden, dass dieses Material etwas wirklich Außergewöhnliches bewirkt, wenn es sehr kurzen Licht- oder Elektrizitätsimpulsen ausgesetzt wird. Diese Impulse können eine Änderung der Ladungskonfiguration innerhalb des CDW verursachen, was wiederum zu einem starken Abfall des elektrischen Widerstands führt.
„Bei niedrigen Temperaturen können diese Veränderungen in einen ‚metastabilen‘ leitenden Zustand übergehen, der nach Belieben kontrolliert in den isolierenden Zustand zurückgeschaltet werden kann. Dies hat praktische Anwendungen im Computerbereich, etwa Speicherspeicherung, die das Team in Slowenien bereits mit wichtigen Akteuren der Technologiebranche zu erforschen beginnt.
„Die Hauptvorteile ergeben sich aus der Tatsache, dass solche Geräte Widerstandsschaltzeiten im Subpikosekundenbereich aufweisen und eine rekordverdächtige Verlustleistung im Atto-Joule-Bereich aufweisen. Kombiniert mit hervorragenden Zyklen- und Skalierungseigenschaften sind solche „Ladungskonfigurationsspeicher“-Geräte auf Basis von 1T-TaS2 sind für alle Arten von Kryocomputing-Anwendungen sehr vielversprechend.“
„Verwendung der PDF-Technik zur Erforschung der kristallinen Struktur von 1T-TaS2 Über einen weiten Temperaturbereich hinweg haben wir mehrere sehr überraschende Beobachtungen gemacht“, bemerkte Abeykoon. „Die Temperatur des Materials verändert die elektronische Struktur.“
Wenn die Temperatur gesenkt wird, geht das Material in den CDW-Zustand über, in dem sich die Fernordnung des Materials zu verzerren und zu verändern beginnt. Unterhalb von 50 K – den Temperaturen, bei denen die Anwendung schneller Lichtimpulse zu einem metastabilen Zustand führt – weist das Material eine unerwartete Strukturverzerrung auf, die benachbarte Tantalschichten koppelt. Diese Verzerrung könnte der Schlüssel zum Erreichen eines durch Impulse erzeugten dauerhaften Zustands sein.
Umgekehrt wird bei einer Erwärmung des Materials über 550 K das CDW vollständig entfernt, was zu einem unverzerrten Material führen sollte.
„Überraschenderweise bleiben kurzreichweitige Verzerrungen, die denen bei niedrigen Temperaturen ähneln, auf lokaler Ebene bei Temperaturen deutlich über denen des CDW-Zustands bestehen“, erklärte Abeykoon. „Dieses Ergebnis liefert eine Vorstellung davon, was die Bildung von CDW in diesem System antreibt.“
Diese Hochtemperaturverzerrungen entstehen durch Polaronen, Quasiteilchen, die von Elektronen erzeugt werden, wenn sie sich durch die Gitterstruktur eines Materials bewegen und lokal mit diesem interagieren. Oberhalb von 600 K beginnt sich die Schichtstruktur des Systems irreversibel zu verändern. Es wandelt sich von einem homogenen Stapel einer Art von Schwefel-Tantal-Schwefel-Sandwichschicht in einen heterogenen Stapel um, bei dem jede andere Sandwichschicht ihren Typ ändert.
Durch die Veränderung sinkt die Anzahl der Polaronen um 50 %. Das bedeutet, dass die Polaronen nur eine Art von Sandwichschicht bevorzugen – diejenige, die in makellosem 1T-TaS zu sehen ist2.
„Dies ist ein eindeutiger Beweis für die Existenz von Polaronen deutlich oberhalb der CDW-Ordnungstemperatur, was noch nie zuvor beobachtet wurde“, sagte Mihailovic.
Die Ladungsordnung dieses Materials – die Muster, die Elektronen basierend auf ihrer Dichte in verschiedenen Bereichen eines Materials erzeugen – wird durch einen völlig anderen Mechanismus gesteuert, als man traditionell erwarten würde. Die Ordnung beinhaltet die Kristallisation von Polaronen in ihren eigenen geordneten Zustand. Dies ähnelt etwas, das als „Wigner-Kristall“ bekannt ist und Elektronen beschreibt, die in einem festen, kristallinen Zustand angeordnet sind.
Das Verständnis der komplexen elektronischen Eigenschaften dieses Materials und der Art und Weise, wie man diese kontrolliert, eröffnet eine Vielzahl potenzieller Anwendungen in der Elektronik, Sensorik und Informatik, aber es gibt noch so viel mehr zu lernen. Diese verborgenen Zustände, die beim Auftreffen ultraschneller Laserpulse auf das Material auftreten, wurden zwar schon in der Vergangenheit beobachtet, aber nie vollständig verstanden.
Das Team plant, die Atomstruktur und ihre Beziehung zur geordneten Gleichgewichtsstruktur zu entschlüsseln. Die temperaturabhängige Natur des metastabilen Zustands ist noch nicht vollständig geklärt. Um die optischen und elektrischen Schaltfähigkeiten dieses Materials für High-Tech-Anwendungen bei wärmeren Temperaturen vollständig auszuschöpfen, müssen Forscher weitere Details dieses Zustands ermitteln.
„In diesem System gibt es noch einige unerforschte Gebiete“, sagte Bozin, „einschließlich der lokalen Struktur.“ Unsere Studie hat ergeben, dass dieses System tatsächlich viel komplexer ist und bereits von Anfang an komplex war. Es gibt Geheimnisse über dieses Material, die immer wieder ans Licht kommen, und das wird auch über Jahrzehnte hinweg so bleiben.“