Fyzici poprvé stvořili elektronovou kapalinu při pokojové teplotě  
Když do sendviče z dvou plátků grafenu a jednoho plátku telluridu molybdeničitého bušíte extrémně rychlými laserovými pulsy, tak na takovém sendviči kondenzují elektrony a elektronové díry do bizarní elektronové kapaliny. Taková fyzikální alchymie by se mohla stát základem nových terahertzových technologií.
Kapalina elektronů (modře) a elektronových děr (červeně). Kredit: QMO Lab, UC Riverside.
Kapalina elektronů (modře) a elektronových děr (červeně). Kredit: QMO Lab, UC Riverside.

Namíchat zajímavý drink nebývá vždy úplně jednoduché. Platí to i pro fyziky, kteří vytvářejí kapaliny velmi netradičního složení. Výzkumný tým Kalifornské univerzity v Riverside nedávno uspěl a jako první na světě vytvořil kapalinu z elektronů při pokojové teplotě. Jejich úspěch otevírá cestu pro vývoj prvních prakticky použitelných, a také efektivních zařízení, která dovedou generovat a detekovat záření na terahertzových vlnových délkách, tedy záření mezi infračervenou oblastí a oblastí mikrovln.

 

Nathaniel Gabor. Kredit: UC Riverside.
Nathaniel Gabor. Kredit: UC Riverside.

Terahertzová zařízení by mohla nalézt velice různorodé aplikace, od komunikace ve vesmírném prostoru, přes diagnostiku některých nádorů a dalších závažných chorob, až po vyhledávání skrytých zbraní či jiného kontrabandu v bezpečnostních technologiích. Výsledky výzkumu se rovněž uplatní i přímo ve vědě, například při zkoumání základních fyzikálních vlastností hmoty v nesmírně malých měřítcích nebo při vývoji kvantových materiálů, jejichž struktury je nutné vytvořit na atomární a částicové úrovni. Výzkum kalifornského týmu uveřejnil v těchto dnech časopis Nature Photonics.

 

Krystal telluridu molybdeničitého. Kredit: Kenan Zhang, Changhua Bao, Qiangqiang Gu, Xiao Ren, Haoxiong Zhang, Ke Deng, Yang Wu, Yuan Li, Ji Feng & Shuyun Zhou / Wikimedia Commons.
Krystal telluridu molybdeničitého. Kredit: Kenan Zhang, Changhua Bao, Qiangqiang Gu, Xiao Ren, Haoxiong Zhang, Ke Deng, Yang Wu, Yuan Li, Ji Feng & Shuyun Zhou / Wikimedia Commons.

Nathaniel Gabor, který šéfuje laboratoři Quantum Materials Optoelectronics Lab v Riverside, a jeho spolupracovníci postupovali tak, že vytvořili ultratenký „sendvič“ ze dvou vrstev grafenu, mezi něž vložili vrstvu telluridu molybdeničitého. Výsledný sendvič, tedy vlastně van der Waalsova heterostruktura, byl jenom o něco málo tlustší, než šířka jediné molekuly DNA. Pak do sendviče zahájili palbu ultrarychlými laserovými pulsy, které do něj bušily v biliardtinách sekundy.

 

Experiment pro pozorování elektronové kapaliny. Kredit: QMO Lab, UC Riverside.
Experiment pro pozorování elektronové kapaliny. Kredit: QMO Lab, UC Riverside.

Jak říká Gabor, pokud něco takového uděláte s běžným polovodičem, jako je například křemík, tak laserové pulsy uvolní oblak elektronů a elektronových děr, který se chová jako plyn. V jejich experimentu ale došlo k tomu, že elektrony a elektronové díry na polovodiči kondenzovaly do podoby kapky kapaliny. Gabor a spol. prý byli skutečně udiveni tím, že k tomu došlo za běžné pokojové teploty. Až doposud se totiž dařilo vytvářet podobné elektronové kapaliny z elektronů a elektronových děr za teplot, které jsou nižší než teplota prázdného vesmírného prostoru.

 

K dodání energie i k zobrazení toho, co se na sendviči děje, badatelé využili vlastnoručně vyvinutou specifickou metodu mikroskopie MPDPM (anglicky multi-parameter dynamic photoresponse microscopy). Podle Gabora mají jejich kapičky elektronové kapaliny takové elektronické vlastnosti, že by se mohly stát základem pro vývoj nových optoelektronických zařízení, která by pracovala s doposud nevídanou účinností v terahertzové oblasti spektra. Nově vytvořené elektronové „nanoloužičky“ (nanopuddles) teď čeká intenzivní výzkum, pokud jde o jejich vlastnosti a využití.

Video: The electron-hole liquid in MoTe2


Video:  11 02 17 Nathaniel Gabor


Literatura
UC Riverside 4. 2. 2019, Nature Photonics online 4. 2. 2019.

Datum: 05.02.2019
Tisk článku

Související články:

Mysteriózní kvantovou spinovou kapalinu vystopovali ve 2D materiálu     Autor: Stanislav Mihulka (15.04.2016)
Nejrychleji rotující kapalinou je kvark-gluonové plazma     Autor: Vladimír Wagner (24.08.2017)
Experiment PHENIX vytvořil kapičky hmoty raného vesmíru     Autor: Stanislav Mihulka (18.12.2018)



Diskuze:

Fyzici poprvé stvořili elektronovou kapalinu při pokojové teplotě (Komentář)

Jaroslav Červinka,2019-02-11 11:59:16

Fyzici poprvé stvořili elektronovou kapalinu při pokojové teplotě
(Komentář)
Zveřejněný článek považuji za velmi zajímavý, ale stojí za to k němu vyjádřit některé postřehy.
Text: Když do sendviče z dvou plátků grafenu a jednoho plátku telluridu molybdeničitého bušíte extrémně rychlými laserovými pulsy, tak na takovém sendviči kondenzují elektrony a elektronové díry do bizarní elektronové kapaliny. Taková fyzikální alchymie by se mohla stát základem nových terahertzových technologií.

Podle zvolených odborných výrazu mám dojem, že jde opravdu o fyzikální alchymii. Rozumím tomu tak, že zatím chybí přesvědčivý teoretický rámec tak, zvané elektronové kapaliny. Tím nechci kritizovat výsledky práce vědců, jen chci naznačit, že k popisu objevných prací existují modernější teorie, jako je na příklad teorie Strukturálních modelů týmu profesora Ošmery, postavená na vírových strukturách elektromagnetických polí elementárních částic a Nová relativně (ne)částicová ((ne)hmotná fyzika. Zejména stojí za pozornost několik let staré strukturálních modely grafenu, které jako první na světě vytvořil kolektiv prof. Ošmery (VUT v Brně). Z uvedených teorií mohou případní zájemci čerpat podněty pro vytváření vlastních konkrétnějších představ. Teprve v takovém případě mohou být naplňovány představy o nových terahertzových technologiích.
Za pozornost stojí prezentovaný obrázek
Kapalina elektronů (modře) a elektronových děr (červeně). Kredit: QMO Lab, UC Riverside. Na něm je možno aplikovat poznatky o Ošmerových strukturálních modelech elementárních částic.
Namíchat zajímavý drink nebývá vždy úplně jednoduché. Platí to i pro fyziky, kteří vytvářejí kapaliny velmi netradičního složení. Výzkumný tým Kalifornské univerzity v Riverside nedávno uspěl a jako první na světě vytvořil kapalinu z elektronů při pokojové teplotě. Jejich úspěch otevírá cestu pro vývoj prvních prakticky použitelných, a také efektivních zařízení, která dovedou generovat a detekovat záření na terahertzových vlnových délkách, tedy záření mezi infračervenou oblastí a oblastí mikrovln.

Zde považuji za inspirující použití pojmu „vytvoření kapaliny z elektronů“. To z toho důvodu, že fyzikální jevy v hlubokém mikrokosmu je možno zkoumat také z pohledu, že se budou chovat jako jevy v kapalině. Je to sice velké zjednodušení, ale je ho možno za určitých předpokladů uplatňovat. Zřejmě by se prof. Ošmera měl s výzkumným týmem Kalifornské univerzity spojit, a teorii podstatně prohloubit. Společné výsledky zcela určitě pomohou řešit vědecké problémy nejen v uvedených oblastech.

Terahertzová zařízení by mohla nalézt velice různorodé aplikace, od komunikace ve vesmírném prostoru, přes diagnostiku některých nádorů a dalších závažných chorob, až po vyhledávání skrytých zbraní či jiného kontrabandu v bezpečnostních technologiích. Výsledky výzkumu se rovněž uplatní i přímo ve vědě, například při zkoumání základních fyzikálních vlastností hmoty v nesmírně malých měřítcích nebo při vývoji kvantových materiálů, jejichž struktury je nutné vytvořit na atomární a částicové úrovni. Výzkum kalifornského týmu uveřejnil v těchto dnech časopis Nature Photonics.
Otázkou je, jak aktivně vědecké týmy přistoupí k řešení uvedených výzev. To ovšem nevidím, při dané úrovni institucionální podpory nových technologií, za příliš nadějné. Kromě uvedených příkladů uplatnění, je možné, že výzkum podobných kapalin elementárních částic umožní při výzkumu možné rychlosti přenosu informací rychlostmi řádově převyšujícími rychlost fotonu (světla). Všechna uvedená témata přímo souvisí se Strukturálními EM vírovými modely elementárních částic týmu prof. Ošmery.

Krystal telluridu molybdeničitého. Kredit: Kenan Zhang, Changhua Bao, Qiangqiang Gu, Xiao Ren, Haoxiong Zhang, Ke Deng, Yang Wu, Yuan Li, Ji Feng & Shuyun Zhou / Wikimedia Commons.
Nathaniel Gabor, který šéfuje laboratoři Quantum Materials Optoelectronics Lab v Riverside, a jeho spolupracovníci postupovali tak, že vytvořili ultratenký „sendvič“ ze dvou vrstev grafenu, mezi něž vložili vrstvu telluridu molybdeničitého. Výsledný sendvič, tedy vlastně van der Waalsova heterostruktura, byl jenom o něco málo tlustší, než šířka jediné molekuly DNA. Pak do sendviče zahájili palbu ultrarychlými laserovými pulsy, které do něj bušily v biliardtinách sekundy.
U krystalu telluridu molybdeničitého v ilustraci mě překvapuje, že k demonstraci fyzikální podstaty nejsou použity strukturální modely krystalu. Jejich výhoda bude zřejmá, pokud si je zájemci najdou na internetových stránkách prof. Pavla Ošmery (VUT) a Ing. Pavla Wernera pod heslem „stringtheory“. Vzhledem k rozměrům sendviče srovnatelnými s rozměry molekuly jsou Ošmerovy modely pro studium fyzikálních jevů nezastupitelné. Předpokládám, že se čeští vědci s výše uvedeným týmem spojí.

Experiment pro pozorování elektronové kapaliny. Kredit: QMO Lab, UC Riverside.
Jak říká Gabor, pokud něco takového uděláte s běžným polovodičem, jako je například křemík, tak laserové pulsy uvolní oblak elektronů a elektronových děr, který se chová jako plyn. V jejich experimentu ale došlo k tomu, že elektrony a elektronové díry na polovodiči kondenzovaly do podoby kapky kapaliny. Gabor a spol. prý byli skutečně udiveni tím, že k tomu došlo za běžné pokojové teploty. Až doposud se totiž dařilo vytvářet podobné elektronové kapaliny z elektronů a elektronových děr za teplot, které jsou nižší než teplota prázdného vesmírného prostoru.
Na tomto odstavci se mi líbí použití pojmu „elektronová díra“ to naznačuje podobnost fyzikálních jevů v mikrosvětě a makrosvětě. Konec konců od této podobnosti prof. Ošmera odvodil přelomový model atomu vodíku. Vůbec, je možno řídi, že použitím strukturálních modelů nebude potřeba tolik údivu.

K dodání energie i k zobrazení toho, co se na sendviči děje, badatelé využili vlastnoručně vyvinutou specifickou metodu mikroskopie MPDPM (anglicky multi-parameter dynamic photoresponse microscopy). Podle Gabora mají jejich kapičky elektronové kapaliny takové elektronické vlastnosti, že by se mohly stát základem pro vývoj nových optoelektronických zařízení, která by pracovala s doposud nevídanou účinností v terahertzové oblasti spektra. Nově vytvořené elektronové „nanoloužičky“ (nanopuddles) teď čeká intenzivní výzkum, pokud jde o jejich vlastnosti a využití.

Domnívám se, že k hlubšímu studiu a přesnějšímu zobrazení bude nutno vypracovat a použít matematické algoritmy vycházející z Ošmerových strukturálních modelů. Nejsem si zatím jist, zda bube nutno brát v úvahu teorii Nové relativně (ne)částicové ((ne)hmotné) fyziky.
Prof. Ošmerovi přejí úspěšnou spolupráci s vědci v Kalifornii.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace