Нова комп’ютерна модель демонструє, що виняткові електронні властивості графену залишаються стабільними, навіть з недоліками, підтверджуючи його потенціал у квантових технологіях і сенсорних додатках.
Реалізм у дослідженні матеріалів: випадок із графеном
Ніщо у світі не ідеальне. Це також стосується дослідження матеріалів. У комп’ютерному моделюванні система часто представляється дуже ідеалізованим способом; наприклад, обчислюють властивості, які мав би абсолютно ідеальний кристал. Однак на практиці ми завжди маємо справу з додатковими ефектами – з дефектами кристалічної решітки, з додатковими частинками, які прикріплюються до матеріалу, зі складною взаємодією між частинками. Отже, головне питання: чи ці неминучі додаткові ефекти змінюють властивості матеріалу чи ні?
Це особливо цікаво у випадку двовимірного матеріалу графену, який складається лише з одного шару атомів вуглецю. Давно відомо, що графен має чудові електронні властивості. Однак досі було незрозуміло, наскільки ці властивості стабільні. Чи руйнуються вони збуреннями та додатковими впливами, яких на практиці не уникнути, чи залишаються недоторканими? Віденському технологічному університету (TU Wien) вдалося розробити комплексну комп’ютерну модель реалістичних графенових структур. Виявилося, що бажані ефекти дуже стійкі. Навіть не зовсім досконалі шматки графену можна використовувати в технологічних цілях. Це хороша новина для світової графенової спільноти.
Рух електронів у графені
«Ми розраховуємо в атомному масштабі, як електричний струм поширюється в крихітному шматочку графену», — говорить професор Флоріан Лібіш з Інституту теоретичної фізики Віденського університету. «Є різні способи, як електрон може рухатися крізь матеріал. Згідно з правилами квантової фізики, йому не обов’язково обирати один із цих шляхів; електрон може пройти кілька шляхів одночасно».
Потім ці різні шляхи можуть по-різному перетинатися. При дуже конкретних значеннях енергії шляхи компенсують один одного; при такій енергії ймовірність проходження електронів через шматок графену дуже низька, а електричний струм мінімальний. Це називається «деструктивним втручанням».
«Той факт, що потік струму різко зменшується при дуже конкретних значеннях енергії з квантово-фізичних причин, є дуже бажаним ефектом з технологічної точки зору», — пояснює Флоріан Лібіш. «Це можна використовувати, наприклад, для обробки інформації в крихітному масштабі, подібно до того, що роблять електронні компоненти в комп’ютерних мікросхемах».
Можна також використовувати його для розробки нових квантових датчиків: припустімо, що шматок графену практично не проводить струм. Потім раптово молекула ззовні прикріплюється до поверхні графену. «Ця одна молекула трохи змінює електронні властивості шматка графену, і цього вже може бути достатньо, щоб раптово різко збільшити потік струму», — каже доктор Роберт Стадлер. «Це можна використовувати для виготовлення надзвичайно чутливих датчиків».
Складнощі та прориви в графеновому моделюванні
Однак фізичні ефекти, які відіграють роль у деталях, дуже складні: «Розмір і форма шматка графену не завжди однакові, і між декількома електронами є взаємодії багатьох тіл, які дуже важко обчислити математично. У деяких місцях можуть бути небажані додаткові атоми, і атоми завжди трохи коливаються – усе це потрібно враховувати, щоб мати змогу описати матеріал графен справді реалістичним способом», – говорить доктор Анджело Валлі.
Це саме те, чого зараз досягнуто у Віденському технічному університеті: Анджело Валлі, Роберт Стадлер, Томас Фабіан і Флоріан Лібіш мають багаторічний досвід правильного опису різних ефектів матеріалів у комп’ютерних моделях. Об’єднавши свій досвід, вони досягли успіху в розробці комплексної комп’ютерної моделі, яка включає всі відповідні джерела помилок і ефекти збурення, які існують на графіках.
Таким чином вони змогли показати, що навіть за наявності цих джерел помилок бажані ефекти все ще помітні. Все ще можна знайти певну енергію, при якій струм протікає лише в дуже невеликій мірі через квантові ефекти. Експерименти вже показали, що це правдоподібно, але систематичного теоретичного дослідження досі не було.
Це доводить, що графен не повинен бути ідеальним, щоб використовувати його для квантової інформаційної технології або квантового зондування. Для прикладних досліджень у цій галузі це важливе повідомлення: всесвітні зусилля щодо контрольованого використання квантових ефектів у графені справді багатообіцяючі. Джерело