Lendületesek – Makk Péter
A kétdimenziós (tehát egyetlen atomsorból álló) anyagok egyszer majd forradalmasíthatják az elektronikát, és nagy szerephez juthatnak a kvantum-számítástudományban is. A közismert grafénen kívül számos más kétdimenziós anyag létezik, és ha ezek rétegeit egymásra helyezzük, még különlegesebb jelenségeket lehet előcsalogatni belőlük. Ezeket kutatja győztes Lendület-pályázata segítségével Makk Péter, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszékének docense, aki egy új kifejezéssel: a csavartronikával is megismertet bennünket.
Makk Péter kutatása kétdimenziós anyagok fizikájával foglalkozik. Ezek elsőként megtalált és legismertebb képviselője a grafén, amely egyetlen réteg hatszöges rácsba rendeződött szénatomból áll. A grafén rengeteg izgalmas fizikai tulajdonságát még csak most kezdjük felfedezni, de az biztos, hogy elektromos tulajdonságai lehetővé teszik, hogy ma még nem ismert, és számos tekintetben korszakalkotó elektronikai eszközöket, például nagyon gyors transzisztorokat lehessen majd belőle gyártani a jövőben.
De a grafén és általában a kétdimenziós anyagok alapkutatási szempontból is érdekesek, hiszen az elektronok nagyenergiás részecskék módjára viselkednek bennük, így a vizsgálatuk révén alapvető fizikai jelenségeket lehet kutatni. A grafén sikere megteremtette a kétdimenziós anyagok kutatásának területét, és csakhamar felfedeztek más összetételű kétdimenziós (egyetlen atomi rétegből álló) anyagokat is: félvezetőket, szupravezetőket, mágneseket.
Új irány az anyagtudományban
„Rájöttek arra is, hogy a kétdimenziós anyagokat egymásra lehet rétegezni. Grafént például elő tudunk állítani úgy, hogy egy grafitkristályról celluxszal letépünk egyatomnyi vastag rétegeket. Ezután ezeket a különböző kétdimenziós kristályokat egymásra fektetjük, és ezáltal befolyásolni tudjuk a tulajdonságaikat – mondja Makk Péter. – Az anyagtudományban ez teljesen új irányt jelentett, hiszen így
különböző tulajdonságú anyagokat építhetünk más és más viselkedésű rétegek meghatározott sorrendű egymásra helyezésével.”
Például megvizsgálhatjuk, hogy egy szupravezető és egy ferromágneses anyag hogyan viselkedik egymáson. A létrejövő új összetett anyag tulajdonságait az egymáson fekvő rétegek elforgatási szöge is befolyásolja. Az így megváltoztatható elektronikai tulajdonságok jelenségét angolul twistronicsnak nevezik, amit Makk Péter „csavartronikának” magyarított. Ha két kétdimenziós anyagot meghatározott szögben elforgatva helyezünk egymásra, akkor a két anyag ismétlődő szerkezete egy új, ugyancsak periodikus struktúrát hoz létre. Néhány éve azt találták, hogy ha két grafénréteget egymáshoz képest elforgatva helyeznek egymásra, akkor egy ún. mágikus szögnél (a grafénnél ez 1,06 fok) a rendszer szupravezetővé válik.
A szupravezetés kutatásának reneszánsza
Az utóbbi három-négy évben felfedezték, hogy számos kétdimenziós anyagból is teljesen új tulajdonságokat lehet előcsalni, ha nagyon pontosan meghatározott szögben helyezünk egymásra két réteget belőlük. Ily módon Makk Péter szerint rendkívül érdekes anyagi rendszereket lehet létrehozni, például
két nem mágneses anyagból is mágnest lehet csinálni, ha pont jó a csavarás szöge.
Az így létrejövő „egzotikus fázisok” kialakulásának az az oka, hogy ilyenkor a kétdimenziós rétegekben lévő elektronok erősen kölcsönhatnak egymással, és ez az erős Coulomb-kölcsönhatás határozza meg az egész anyag viselkedését.
Az elektronok kölcsönhatásai már évtizedekkel ezelőtt is kedvelt kutatási téma volt, de a nem kétdimenziós anyagoknál igen nehézkes volt az eltérő számú elektront tartalmazó minták előállítása. A kétdimenziós anyagok vékonysága miatt azonban egy kapuelektróda segítségével könnyedén változtatható a bennük lévő elektronok száma, így ez a lehetőség az elektronkölcsönhatások és velük együtt például a magas hőmérsékletű szupravezetés kutatásának reneszánszát hozták. Azt a fázisdiagramot, amelyet korábban akár egyévnyi kutatással mértek ki, ma már egyetlen éjszaka alatt felrajzolják, kétdimenziós anyagokat vizsgálva.
„A kétdimenziós anyagok vizsgálata a fizika jelenleg egyik legforróbb területe. A Lendület-kutatásunkban mi is ezeket a rendszereket fogjuk tanulmányozni, eközben pedig igyekszünk egyedi megközelítést alkalmazni – folytatja Makk Péter. – A kutatásaink során speciális technikákat alkalmazunk ezen anyagok vizsgálatához. Az egyik célunk, hogy olyan kétdimenziós anyagok egymásra helyezésével felépített rendszert hozzunk létre, ahol a rétegek közötti távolságot változtathatjuk, és így vizsgálhatjuk, hogy a távolság hogyan befolyásolja a tulajdonságokat.”
Itt persze nagyon kicsi, nanométer alatti rétegtávolságokról van szó, amit felülről ható nyomással tudnak befolyásolni, a kutatócsoport-vezető becslése szerint öt-tíz százalékkal. De ez már nagy különbséget jelenthet, hiszen a rétegtávolságtól exponenciálisan függenek a kölcsönhatási erősségek. Vagyis ha csak kicsit változtatunk a rétegtávolságon, a rendszer viselkedésén akkor is nagyon sokat tudunk módosítani.
A felépített anyagi rendszereken alacsony hőmérsékleten elektromos méréseket fognak végezni. Az alacsony hőmérsékletet komolyan kell venni:
a kutatók képesek akár 20 millikelvint is előállítani, ami 2 századfokkal van csak az abszolút nullafok felett.
A rétegekre gyakorolt nyomás mellett olyan módszeren is dolgoznak, amelynek segítségével a kétdimenziós anyagokat oldalirányba is képesek lesznek megfeszíteni. Ettől azt várják a fizikusok, hogy akár fázisátalakulásokat is megfigyelhetnek a meghúzás hatására.
A vizsgálatok határozottan alapkutatási jellegűek, így Makk Péter a Lendület-kutatásokkal a kétdimenziós anyagokról meglévő tudásunkat szeretné bővíteni. Kissé konkrétabban az a kutatás célja, hogy megtudjuk, az egymásra rétegzett anyagok tulajdonságait hogyan lehet változtatni a rájuk gyakorolt erőhatás segítségével, és milyen új fázisátalakulásokat lehet ily módon létrehozni rajtuk. A szilárdtest-fizikai kutatások hosszú távon általában az elektronikai eszközök fejlesztése felé haladnak, és válnak alkalmazott kutatássá. Nagyon valószínű, hogy a kétdimenziós anyagoknak is lesz szerepük egyszer az elektronikában, illetve a kvantum-számítástudományban.