Bir nesnenin yüzeyinin iç kısmından önemli ölçüde farklı olabileceği bilinen bir gerçektir. Muzun içi lezzetliyken kabuğu lezzetli değildir. Yirmi birinci yüzyılın başında keşfedilen grafen, tamamen yüzeyden yapılmış, herhangi bir iç kısmı veya hacmi olmayan bir malzemenin bilinen ilk örneğidir. Grafen ve benzeri iki boyutlu (2D) malzemeler, geleneksel üç boyutlu katıların özelliklerini açıklamak için yirminci yüzyılda geliştirilen fiziksel teorilere meydan okuyor.
Nature'da yayınlanan çalışmamız, bir bükülme açısıyla kasıtlı olarak yanlış hizalanan iki nanometre ince katmanın bir araya getirilmesiyle tasarlanan bükülmüş iki katmanlı 2D malzemelere dikkat çekiyor. Küçük bir bükülme açısı, atomların düzeninde yarı kristal hareli bir desen oluşturarak malzemenin optik ve elektronik özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Hakim varsayım, çift katmanın sentezlenmesinin tek seferlik işlemi sırasında büküm açısının sabitlendiği ve bu sürenin sonunda değiştirilemeyeceği yönündedir.
Sonuçlarımız, iki katmanlı bir bükülme açısının ultra kısa lazer ışığı darbeleriyle dinamik olarak ayarlanabileceğine dair ilk deneysel kanıtı sağlıyor. Ayarlama mekanizması, bir tokmakla vurulan zilin çınlamasına benzer şekilde, çift katmanın normal salınım modlarından kaynaklanır. Deneyimizde çınlama, malzemeyi bükerek ve bükerek statik büküm açısına yerel olarak eklenen veya bu açıyı çıkaran, girdap benzeri hareketlerin tekrarlanan bir deseninden oluşur. Lazer darbesi, girdapları hareket ettiren tokmak rolünü oynar.
Deneysel zorluk
Elektron kırınımı (ED), iki katmanlı 2D malzemelerde küçük bükülme açılarını hassas bir şekilde ölçmek için tercih edilen tekniktir. ED'deki saçılma, atomların koordinatlarında tekrarlanan desenleri ortaya çıkarır. Hareli istifleme alanlarının oluşumunu gösteren spesifik imza, ana Bragg zirvelerini süsleyen ince uydu zirvelerinin görünümüdür.
Deneyimizin temel zorluğu, çift katmanlı bükme-açma hareketinin standart bir elektron mikroskobunda ölçülemeyecek kadar hızlı olmasıdır (saniyede beş yüz milyar döngü). Atomik hareketin dondurularak çerçevelenmesi, tam olarak senkronize elektron darbeleri sağlayabilen ultra hızlı elektron kırınımı (UED) ışın hattını gerektirir. Deneysel zorluğu daha da artıran bir durum, bir UED ışın hattının tipik konfigürasyonunun, hareli uydu kırınım tepe noktalarını çözmek için gerekli olan açısal büyütme ve enine ışın tutarlılığından yoksun olmasıdır. Cornell University'de çalıştı Ultra Hızlı Yapısal Analiz (MEDUSA) ışın hattı için Mikro Elektron Kırınımı, wDeneyimizi teknik olarak mümkün kılan şey, yüksek parlaklıktaki bir fotoelektron kaynağının özel yapım elektron optikleriyle yeni bir şekilde eşleştirilmesidir.
Fiziksel mekanizma
Fang Liu'nun Stanford Üniversitesi'ndeki grubu tarafından hazırlanan çalışmamızda incelediğimiz spesifik malzeme iki yarı iletken katmandan oluşuyor: WSe2 ve MoSe2 . Katmanlar göreceli olarak haftalık van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulur ve bu da malzemenin lazer uyarımına karşı anizotropik tepkisini vurgular.
Yarı iletken olarak bükülmüş WSe2/MoSe2 Işığa özellikle ilginç bir şekilde tepki verir: Fotonlar, uzun ömürlü, bağlı elektron-delik çiftlerinin (eksitonlar) yaratılması sırasında emilebilir. Foto-uyarılmış negatif yüklü elektronlar MoSe'ye göç etmeyi tercih ediyor2 WSe'ye katman ve pozitif yüklü delikler2. Bu yük ayrımı, karşıt katmanları bir araya çekme eğiliminde olan elektrostatik kuvvetin kaynağıdır.
WSe'de ultra hızlı yük ayrımı2/MoSe2 pompa lazer darbesi tarafından iletilen enerjinin malzemede bir dönme hareketine aktarıldığı kanalı sağlar. Hareli desen nedeniyle katmanlar arasındaki van der Waals kuvvetleri, düzlem içi elastik gerilimle dengelenen spiral şeklinde eğimlidir. Katmanlar, katmanlara ayrılmış elektrik yüklerinin basıncıyla birbirine bastırıldığında, van der Waals kuvvetleri atomları tirbuşon benzeri kiral bir yol boyunca iter.
Şaşırtıcı bir sinyal
Zaman serisi deneysel verilerimiz saniyenin dört trilyonda biri kadar bir aralığı kapsıyor. Ana Bragg zirvelerinin yoğunluğundaki değişimi uydu zirvelerinin yoğunluğuyla karşılaştırıyoruz. Bir malzemenin lazer ışığıyla pompalanması tipik olarak malzemenin sıcaklığını yükseltir, bu da yapısına bir miktar rastgelelik katar ve dolayısıyla kırınım yoğunluklarının düşmesine neden olur. Tipik davranışla tutarlı olarak verilerimiz, iki katman lazer ışığını emdikçe ana Bragg tepe yoğunluklarının düştüğünü gösteriyor.
Şaşırtıcı olan, verilerimizde hareli uydunun yoğunluğunun, lazer darbesinin gelişini takiben hemen ve güçlü bir şekilde artmasıdır. Başka hiçbir saçılma açısında benzer derecede güçlü bir artış görülemez. Bu nedenle, lazer pompasının, statik uydu kırınım tepe noktalarına yol açan aynı yapısal özelliği, çift katmanlı bükülmeyi güçlendirmesi gerekir. Bu geçici artıştan kısa bir süre sonra uydu tepe yoğunlukları, ısınma etkilerinin ima ettiği seviyenin altına düşer, bu da bükülme hareketinin yön değiştirdiğini gösterir. Numuneyi destekleyen alt tabakanın sönümleme etkisi nedeniyle bükülme-açılma salınımları tek bir döngüden fazla devam etmez.
Görünüm
Verilerimizde gösterilen bükülme tepkisi, bükülmüş çift katmanların işlevselliği üzerinde optik kontrolün geliştirilmesine işaret ediyor. Düşündüğümüz uygulamalar arasında eksitonik lazerlerin dalga boyunun modüle edilmesi ve bükülmüş 2 boyutlu malzemelerin normal iletkenden süper iletken durumlara optik olarak değiştirilmesi yer alıyor. Daha fazla deneysel çalışma, sürüş ışığının frekansını büküm hareketinin frekansıyla eşleştiren daha doğrudan uyarma şemalarını keşfedebilir, böylece optik büküm ayarının uygulanabilirliğini daha geniş bir çift katmanlı malzeme yelpazesine genişletebilir. Ultra hızlı elektron kırınımının, 2 boyutlu malzemelerdeki hareli desenlerin zengin dinamiklerini deneysel olarak araştırma yeteneği sağladığını gösterdik.
Bir yanıt yazın