Új fizikát tárhatnak fel a nanogyémántok

Gali Ádám kutatócsoportja, mely a Wigner Fizikai Kutatóközponthoz A kutatócsoport most megjelent cikke itt érhető eltartozik, az olaszországi Instituto di Struttura della Materia-beli Andrea Marini csoportjával együttműködve tanulmányozta az atomok egyensúlyi helyzete körüli kvantumos rezgések, azaz fononok hatásait nagyon kicsi rendszerekben, az ún. nanogyémántokban, más néven gyémántdarabkákban. Ennek révén remélhetőleg jobban megértik az elektron-fonon dinamika alapjait, s ez megnyitja az utat például olyan eljárások fejlesztése felé, melyek segítségével jól irányzott fononok elektronspineket szabályozhatnak.

Az atomok egyensúlyi pozíció körüli rezgései hatnak az elektronokra, ez az elektron-fonon csatolás. Ez felelős például a sok anyagnál tapasztalt szupravezetésért. Más kutatócsoportok eddigi eredményei – például Elena Cannuccia és Andrea Marini munkája – megmutatták, hogy ezek a rezgési hatások nemcsak a gyémánt mechanikai tulajdonságait, hanem a „színét" is befolyásolják. A tökéletes gyémánt átlátszó a látható fény számára, köszönhetően az elektronszerkezete által meghatározott széles optikai tiltott sávnak, azaz annak a hullámhossz-tartománynak, amelyen belül nem képes elnyelni a fényt. Ha az elektron-fonon csatolás ezt a sávot megváltoztatja, ezzel módosítja a gyémánt optikai tulajdonságait is.

Megváltozhat az anyagokról alkotott képünk

Gali Ádám Forrás: MTA Wigner FK

A kutatócsoport munkájának homlokterében a nanogyémántok tiltott sávjának megváltozása áll, melyet az elektron-fonon csatolás határoz meg. Azt már régebbről tudjuk, hogy ez a hatás a tömbi gyémánt esetében jelentős is lehet, akár a tiltott sáv szélességének 10%-át is elérheti. Noha erről kísérleti úton évtizedek óta tudunk, elsőelvű (ab initio) számítások ezt egészen a közelmúltig nem tudták reprodukálni.

Gali Ádám csoportjában felmerült, hogy ha ilyen érdekes jelenségek történnek meg a tömbi gyémántban, akkor az olyan kvázi-nulladimenziós (nagy méretskálán kiterjedés nélküli) rendszerek, mint a nanokristályok, még érdekesebb fizikát is rejtegethetnek. Ezek is gyémántszerkezetűek, de kiterjedésük mindössze nanométeres nagyságrendű – így csak pár tíz, illetve száz szénatomot tartalmaznak, s emiatt könnyen számíthatóak. Emellett gyakorlatilag 100%-os tisztasággal elő is állíthatóak, így ideális terepet jelentenek a szimulációk számára, hiszen elméleti tulajdonságaik közvetlenül összevethetőek a kísérleti eredményekkel.

A nanogyémántok rezgései

A kutatásban vizsgált legkisebb nanogyémántok 10 szénatomból (és 16 felszíni kötéseket lezáró hidrogénatomból) álltak. Az gyorsan kiderült, hogy az elektron-fonon csatolás hatása a tiltott sávra kisebb volt annál, mint ami a tömbi gyémánt alapján várható volt – a tiltott sáv szélességének pár százalékát érte el csupán. Azonban ennél fontosabb, hogy az intenzív elektron-fonon csatolás hatása a nanogyémántok fotoionizációs spektrumában is furcsa jelenségeket okozott, és ezt elméleti úton le lehetett írni. „A fotoionizációs spektrumnak e sikeres kvantitatív értelmezése miatt bízhatunk elméletünk alaposságában, és ez megnyitja az utat afelé, hogy egzotikusabb jelenségeket is tanulmányozzunk, illetve egyes anyagi tulajdonságok finomhangolhatóságát jósoljuk meg" – mondta Gali Ádám.

Noha a kutatás eredményei eddig tisztán elméletiek, számos további lehetőséget vetnek fel. A szerzők például említik annak lehetőségét, hogy az eredményeket felhasználjuk olyan nanostrukturált anyagok megtervezésében, amelyeknek fotokonverziós hatásfoka igen nagy, ha napelemként használjuk őket. A többszörös excitonkeltés egy olyan egzotikus jelenség, amely akár 44%-os energetikai hatásfokú napelemeket is eredményezhet, azonban eddig ezt a gerjesztett töltéshordozókat gyorsan eltüntető erős elektron-fonon csatolás megakadályozta. Ha ennek menetét a mostani kutatásban is alkalmazott elméleti eszközökkel megértjük, idővel olyan anyagokat is gyárthatunk, amelyekben a töltéshordozók relaxációját a gondosan tervezett elektron-fonon csatolás korlátozza.

Adamantán gyémántdarabka fotoionizációja. A rezgések aktív szerepet játszanak a fotoionizációs spektrum kialakításában Forrás: MTA Wigner FK

„Egy másik felhasználást bizonyos gyémánt- és szilícium-karbidbeli színcentrumok jelentenek, melyekkel beléphetünk a kvantumkommunikáció és kvantumtitkosítás világába; illetve szintén ezek alkalmazásával gyárthatunk nanoméretű neminvazív bioszenzorokat is. Az elméletünk jóslatot adhat arra vonatkozóan, hogyan tudjuk javítani ezen kvantumeszközök megbízhatóságát, illetve a nanoszenzorok tulajdonságait" – teszi hozzá Gali Ádám.

További kutatási irányok

A közeli jövőben Andrea Marini csoportja folytatja az elektron-fonon csatolás elméletének kutatását, mely során egyre finomítják elméleteiket, s várhatóan egyre jobban megértik a gerjesztett töltéshordozók nemegyensúlyi viselkedését is. Gali Ádám csoportja az elektronspinek és a kristályrács kölcsönhatását fogja tanulmányozni olyan ponthibákban, melyek gyémántban, illetve gyémántszerű anyagokban találhatóak, s amelyek a kvantuminformatika és a nanometrológia fő eszközei lehetnek.

Az eredményekről szóló közlemény a Nature Communications folyóiratban jelent meg (DOI: 10.1038/NCOMMS11327). A kutatás Andrea Marini és Gali Ádám kutatócsoportjai közti együttműködésben indult körülbelül öt évvel ezelőtt. Azóta a két csoportból kiválva Elena Cannuccia, illetve Vörös Márton önálló kutatásba kezdtek. Elena Cannuccia adjunktus az Aix-Marseille-i Egyetemen, Vörös Márton pedig Aneesur Rahman-ösztöndíjas kutató az Argonne National Laboratory-ban. Melletük Gali Ádám kutatócsoportjában Demján Tamás és Thiering Gergő doktoranduszok vettek részt a kutatásban. A kutatócsoport munkáját az MTA Lendület program is támogatta.

A címlapkép forrása: Flickr/Macroscopic Solutions.