Wat 'zei' het elektron tegen het fonon in de grafeen sandwich?

Wat zei het elektron tegen het fonon tussen twee lagen grafeen?

Dit klinkt misschien als het begin van een natuurkundige meme met een hilarische clou. Maar dat is niet het geval volgens Klaas-Jan Tielrooij. Hij is universitair hoofddocent aan de faculteit Applied Physics and Science Education en hoofonderzoeker van het artikel dat onlangs is gepubliceerd in Science Advances.

“Ons doel was om te begrijpen hoe elektronen en fononen met elkaar 'praten' binnen twee gedraaide lagen grafeen”, zegt Tielrooij.

Elektronen zijn de bekende ladings- en energiedragers die geassocieerd worden met elektriciteit, terwijl een fonon gekoppeld is aan het ontstaan van trillingen tussen atomen in een atoomkristal.

“Fononen zijn echter geen deeltjes zoals elektronen, ze zijn quasideeltjes. Toch is het al enige tijd een mysterie hoe zij interacteren met elektronen in bepaalde materialen en hoe ze het energieverlies van elektronen beïnvloeden”, merkt Tielrooij op.

Maar waarom zou het interessant zijn om meer te weten te komen over elektron-fonon interactie? “Deze interactie kan een groot effect hebben op de elektronische en opto-elektronische eigenschappen van apparaten gemaakt van materialen zoals grafeen. Die apparaten gaan we in de toekomst waarschijnlijk steeds meer zien.”

Twistronics: Breakthrough of the Year 2018

Tielrooij en zijn collega’s, die wereldwijd gevestigd zijn in Spanje, Duitsland, Japan en de VS, besloten om elektron-fonon-interacties te bestuderen in een heel bijzonder geval - binnen twee lagen grafeen waarbij de lagen een klein beetje verkeerd uitgelijnd zijn.

Grafeen is een tweedimensionale laag van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster. Dat heeft verschillende indrukwekkende eigenschappen heeft, zoals een hoge elektrische geleidbaarheid, hoge flexibiliteit en hoge thermische geleidbaarheid. En het is ook bijna transparant.

In 2018 ging de Physics World Breakthrough of the Year award naar Pablo Jarillo-Herrero en collega's van MIT voor hun baanbrekende werk op het gebied van twistronics, waarbij aangrenzende lagen grafeen zeer licht ten opzichte van elkaar worden gedraaid om de elektronische eigenschappen van het grafeen te veranderen.

Draaien en verbazen

“Afhankelijk van hoe de lagen grafeen worden gedraaid en gedoteerd met elektronen, zijn er contrasterende resultaten mogelijk. Bij bepaalde hoeveelheden elektronen gedragen de lagen zich als een isolator, die de beweging van elektronen verhindert. Maar met een andere hoeveelheid gedraagt het materiaal zich als een supergeleider - een materiaal met nul weerstand - dat de dissipatieloze beweging van elektronen mogelijk maakt”, zegt Tielrooij.

Deze resultaten in het materiaal, beter bekend als gedraaid tweelaags grafeen, treden op bij de zogenaamde magische uitlijningshoek, die iets meer dan 1 graad rotatie bedraagt. “De hoek tussen de lagen is miniem, maar de mogelijkheid die het biedt voor een supergeleider of een isolator is een verbluffend resultaat.”

Hoe elektronen energie verliezen

Voor hun studie wilden Tielrooij en het team meer te weten komen over hoe elektronen energieverliezen in dit zogeheten ‘magisch gedraaid bilaag grafeen’, meestal afgekort tot MATBG.

Om dit te bereiken, gebruikten ze een materiaal dat bestaat uit twee plakjes monolaag grafeen (elk 0,3 nanometer dik), die op elkaar zijn geplaatst en ongeveer één graad verkeerd ten opzichte van elkaar zijn uitgelijnd.

Vervolgens gebruikten de onderzoekers twee opto-elektronische meettechnieken om de elektron-fonon interactie in detail te onderzoeken. Daarmee deden ze een aantal verbijsterende ontdekkingen.

“We zagen dat de energie heel snel verdwijnt in het MATBG - het gebeurt op de picoseconde tijdschaal. Dat is één-miljoenste van één-miljoenste van een seconde!” zegt Tielrooij.

Deze waarneming gaat veel sneller dan bij een enkele laag grafeen, vooral bij ultrakoude temperaturen (specifiek onder -73 graden Celsius). “Bij deze temperaturen is het heel moeilijk voor elektronen om energie te verliezen aan fononen, maar toch gebeurt dat in het MATBG.”

We zagen dat de energie heel snel verdwijnt in het MATBG - het gebeurt op de picoseconde tijdschaal. Dat is één-miljoenste van één-miljoenste van een seconde!

Waarom elektronen energie verliezen

Waarom verliezen de elektronen dan zo snel energie in hun interactie met de fononen? Het blijkt dat de onderzoekers een geheel nieuw natuurkundig proces hebben ontdekt.

“De sterke elektron-fonon-interactie is een volledig nieuw fysisch proces en omvat de zogenaamde elektron-fonon Umklapp-interactie”, voegt Hiroaki Ishizuka van het Tokyo Institute of Technology in Japan toe, die samen met Leonid Levitov van het Massachusetts Institute of Technology in de VS het theoretische begrip van dit proces ontwikkelde.

Umklapp-interactie tussen fononen is een proces dat vaak van invloed is op warmteoverdracht in materialen, omdat hierdoor relatief grote hoeveelheden momentum tussen fononen kunnen worden overgedragen.

“We zien de effecten van fonon-fonon Umklapp-interactie de hele tijd. Dit beïnvloedt namelijk het vermogen van (niet-metallische) materialen om warmte te geleiden bij kamertemperatuur. Denk maar aan een isolerend materiaal op het handvat van een pot”, zegt Ishizuka. “Umklapp-interactie van elektronen en fononen is echter zeldzaam. Hier hebben we voor het eerst waargenomen hoe elektronen en fononen via Umklapp-interactie samenwerken om elektronenenergie af te voeren.”

De sterke elektron-fonon-interactie is een volledig nieuw fysisch proces en omvat de zogenaamde elektron-fonon Umklapp-interactie.

Uitdagingen samen opgelost

Tielrooij en zijn medewerkers hebben het meeste werk gedaan terwijl hij in Spanje werkte aan het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2). En zoals Tielrooij opmerkt: “De internationale samenwerking bleek cruciaal voor het doen van deze ontdekking.”

Hoe hebben alle medewerkers bijgedragen aan het onderzoek? Tielrooij: “Ten eerste hadden we geavanceerde fabricagetechnieken nodig om de MATBG-materialen te maken. Maar we hadden ook een diep theoretisch begrip nodig van wat er in de materialen gebeurt. Bovendien waren er ultrasnelle opto-elektronische meetopstellingen nodig om te meten wat er in de materialen gebeurt.”

De internationale samenwerking bleek cruciaal voor het doen van deze ontdekking.

Tielrooij en het team ontvingen het MATBG-materiaal van de groep van Dmitri Efetov aan de Ludwig-Maximilians-Universität in München. Zij waren de eerste groep in Europa die zulke materialen kon maken en die ook fotomixmetingen uitvoerde. Terwijl het theoretische werk aan het MIT in de VS en aan het Tokyo Institute of Technology in Japan cruciaal bleek voor het succes van het onderzoek.

En bij ICN2 gebruikten Tielrooij en zijn teamleden Jake Mehew en Alexander Block geavanceerde apparatuur, met name tijdsopgeloste fotovoltage microscopie, om hun metingen van elektronen-fonondynamica in de materialen uit te voeren.

De toekomst

Hoe ziet de toekomst eruit voor deze materialen? Volgens Tielrooij moet je niet te snel iets concreets verwachten.

“Omdat het materiaal nog maar een paar jaar wordt bestudeerd, is de maatschappelijke impact van gedraaid bilaaggrafeen nog ver weg .”

Maar er valt nog veel te ontdekken over energieverlies in het materiaal.

“Toekomstige ontdekkingen zouden impact kunnen hebben voor de dynamica van het ladingstransport. Dat kan weer gevolgen hebben voor toekomstige ultrasnelle opto-elektronische apparaten”, zegt Tielrooij. “In het bijzonder zouden ze zeer bruikbaar zijn bij lage temperaturen. Dus dat maakt het materiaal geschikt voor ruimtevaart- en kwantumtoepassingen.”

Het onderzoek van Tielrooij en het internationale team is een echte doorbraak als het gaat om de interactie tussen elektronen en fononen.

Maar we zullen nog wat langer moeten wachten om volledig te begrijpen wat de gevolgen zijn van wat het elektron tegen het fonon zei in de grafeen sandwich.

Meer informatie

Ultrafast Umklapp-assisted electron-phonon cooling in magic-angle twisted bilayer graphene, Mehew et al., Science Advances, (2024).