Wat ‘zei’ het elektron tegen het fonon in de grafeen sandwich?

De natuurkunde van de elektron-fonon-interacties is een mysterie. TU/e-onderzoeker Klaas-Jan Tielrooij leidde een onderzoek geleid naar elektron-fonon interacties in grafeenlagen, als onderdeel van een wereldwijde internationale samenwerking. En ze hebben een ontdekking gedaan.

Het artikel is gepubliceerd in Science Advances.

De vraag ‘wat zei het elektron tegen het fonon tussen twee lagen grafeen?’ klinkt misschien als het begin van een natuurkundige meme met een hilarische clou. Maar dat is niet het geval volgens hoofonderzoeker Klaas-Jan Tielrooij. “Ons doel was om te begrijpen hoe elektronen en fononen met elkaar ‘praten’ binnen twee gedraaide lagen grafeen.”

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 geen deeltjes zoals elektronen, ze zijn quasideeltjes. Het is een mysterie hoe zij interacteren met elektronen in bepaalde materialen en hoe ze het energieverlies van elektronen beïnvloeden”, aldusTielrooij. “Deze interactie kan een groot effect hebben op de elektronische en opto-elektronische eigenschappen van apparaten gemaakt van materialen zoals grafeen. ”

Twistronics

Tielrooij en collega’s 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. In 2018 ging de Physics World Breakthrough of the Year award naar Pablo Jarillo-Herrero en collega’s van MIT voor hun 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 dat de dissipatieloze beweging van elektronen mogelijk maakt.”

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

Het team wilde 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.”

Elektron-fonon Umklapp-interactie

“De sterke elektron-fonon-interactie is een volledig nieuw fysisch proces en omvat de zogenaamde elektron-fonon Umklapp-interactie”, zegt Hiroaki Ishizuka van het Tokyo Institute of Technology, die samen met Leonid Levitov (MIT) 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”, 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 toekomst

Hoe ziet de toekomst eruit voor deze materialen? “Omdat het materiaal nog maar een paar jaar wordt bestudeerd, is de maatschappelijke impact nog ver weg. Maar 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.”