Een recente studie gepubliceerd in Nature onthult een opmerkelijk fenomeen: atomen in ultradunne materialen dansen als reactie op lichtpulsen, draaien en ontdraaien als gesynchroniseerde dansers. Deze ingewikkelde choreografie ontvouwt zich razendsnel – op de schaal van een biljoenste van een seconde – waardoor ze onzichtbaar is voor het blote oog en te snel voor conventionele wetenschappelijke instrumenten om vast te leggen.
Om dit atomaire ballet te onthullen, wendden onderzoekers van Cornell University en Stanford University zich tot ultrasnelle elektronendiffractie. Deze baanbrekende techniek maakt gebruik van ongelooflijk korte uitbarstingen van elektronen die op een monster worden afgevuurd onmiddellijk nadat een laserpuls het heeft geraakt. Zie het als een ultrasnelle camera die bevroren is op specifieke momenten tijdens de dans. Door te analyseren hoe deze atoomlagen de elektronen verstrooien, kunnen wetenschappers hun beweging in de loop van de tijd reconstrueren.
Het onderwerp van deze atomaire performance is een speciaal soort materiaal dat bekend staat als moiré-materialen. Deze materialen worden geconstrueerd door extreem dunne platen – slechts een paar atomen dik – op elkaar te stapelen met kleine scheefstanden. Deze ogenschijnlijk kleine verschuiving creëert unieke eigenschappen die kunnen worden afgestemd door de hoek tussen de lagen verder aan te passen.
“Stel je voor dat je twee stukjes papier met een lichte draai op elkaar stapelt”, legt Jared Maxson uit, hoogleraar natuurkunde aan Cornell en co-corresponderende auteur van het onderzoek. “De manier waarop ze elkaar overlappen, creëert interessante patronen – moirépatronen – en deze patronen beïnvloeden hoe het materiaal zich gedraagt.”
Deze eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd om materialen als supergeleiders te laten werken – waardoor elektriciteit zonder weerstand kan stromen – of om ongebruikelijk elektronisch gedrag te creëren, waardoor deuren worden geopend voor innovaties in de kwantumelektronica en andere geavanceerde technologieën.
Voorheen geloofden wetenschappers dat de structuur van deze moirématerialen, eenmaal gestapeld onder een vaste hoek, statisch bleef. Dit baanbrekende onderzoek laat echter zien dat de atomen binnen deze gelaagde structuren verre van stijf zijn. In plaats daarvan vertonen ze een dynamische beweging, waarbij ze kortstondig strakker in elkaar draaien bij blootstelling aan licht voordat ze terugveren, net zoals een samengedrukte veer zijn energie vrijgeeft.
“Deze bevinding daagt eerdere aannames uit”, voegt Fang Liu, projectleider bij Stanford en co-corresponderende auteur toe. “We hebben gezien dat de atomen in deze moiré-eenheidscellen bijna als een cirkeldans presteren.”
Het succes van dit experiment was afhankelijk van zowel de ontwikkeling van gespecialiseerde materialen door Liu’s team aan Stanford als het zelfgebouwde ultrasnelle elektronendiffractie-instrument van Cornell, uitgerust met een zeer gevoelige detector genaamd EMPAD.
De EMPAD, oorspronkelijk ontworpen voor het vastleggen van stilstaande beelden, werd in dit onderzoek opnieuw gebruikt om te fungeren als een ongelooflijk snelle camera die in staat is deze vluchtige atoombewegingen vast te leggen. “De meeste detectoren zouden het signaal hebben vervaagd”, zegt Maxson. “Dankzij het EMPAD konden we ongelooflijk subtiele kenmerken zien die gemakkelijk verloren hadden kunnen gaan.”
Deze gezamenlijke inspanning markeert een belangrijke mijlpaal in ons begrip van moiré-materialen. Het demonstreert de kracht van ultrasnelle elektronendiffractie voor het visualiseren van fenomenen op nanoschaal en opent opwindende wegen voor het in realtime manipuleren van kwantumgedrag met behulp van licht. Toekomstige experimenten zullen onderzoeken hoe verschillende materialen en draaihoeken reageren op lichtpulsen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor potentieel revolutionaire vooruitgang op gebieden variërend van supergeleiding tot kwantumcomputers.
