Spirale de torsion microscopique

Cette spirale microscopique et torsadée – qui présente des propriétés supraconductrices intéressantes et accordables – a été «développée» en déposant des feuilles de matériau bidimensionnel sur un substrat légèrement incurvé en glissant une nanoparticule en dessous. Crédit: Image fournie par Song Jin Lab

Des scientifiques de l’Université du Wisconsin-Madison ont découvert un moyen de contrôler la croissance des spirales microscopiques et torsadées de matériaux. atome épais.

Les piles de matériaux bidimensionnels qui se tordent continuellement, construites par une équipe dirigée par le professeur de chimie UW-Madison Song Jin, créent de nouvelles propriétés que les scientifiques peuvent exploiter pour étudier la physique quantique à l’échelle nanométrique. Les chercheurs ont publié leurs travaux aujourd’hui (23 octobre 2020) dans la revue Science.

«C’est la frontière actuelle de la recherche sur les matériaux 2D. Au cours des dernières années, les scientifiques ont réalisé que lorsque vous faites une petite torsion entre les couches atomiques – généralement de quelques degrés – vous créez des propriétés physiques très intéressantes, telles que la supraconductivité non conventionnelle. Par exemple, le matériau torsadé perd complètement sa résistance électrique à basse température », explique Jin. «Les chercheurs considèrent ces matériaux quantiques 2D et appellent ce travail« twistronique ».»

Yuzhou Zhao, un étudiant diplômé et premier auteur de l’étude, dit que la pratique standard pour fabriquer des structures bidimensionnelles torsadées consiste à empiler mécaniquement deux feuilles de matériaux minces les unes sur les autres et à contrôler soigneusement l’angle de torsion entre elles à la main. Mais lorsque les chercheurs cultivent directement ces matériaux 2D, ils ne peuvent pas contrôler l’angle de torsion car les interactions entre les couches sont très faibles.

«Imaginez faire une pile de cartes à jouer qui se tordent continuellement. Si vous avez des doigts agiles, vous pouvez tordre les cartes, mais notre défi est de savoir comment faire tourner les couches atomiques de manière contrôlable par elles-mêmes à l’échelle nanométrique », explique Jin.

L’équipe de Jin a découvert comment contrôler la croissance de ces structures nanométriques torsadées en pensant en dehors de l’espace plat de la géométrie euclidienne.

La géométrie euclidienne constitue la base mathématique du monde que nous connaissons. Cela nous permet de penser le monde dans des plans plats, des lignes droites et des angles droits. En revanche, la géométrie non euclidienne décrit des espaces courbes dans lesquels les lignes sont courbes et la somme des angles dans un carré n’est pas de 360 ​​degrés. Les théories scientifiques qui expliquent le continuum espace-temps, comme la relativité générale d’Einstein, utilisent la géométrie non euclidienne comme fondement. Penser aux structures cristallines en dehors de la géométrie euclidienne, dit Jin, ouvre de nouvelles possibilités intrigantes.

Zhao et Jin ont créé des spirales torsadées en profitant d’un type d’imperfection dans les cristaux en croissance appelé dislocations de vis. Jin a étudié cette croissance cristalline provoquée par la dislocation pendant des années et l’avait utilisée pour expliquer, par exemple, la croissance d’arbres à nanofils. Dans les matériaux 2D, les dislocations fournissent une étape pour suivre les couches de la structure alors qu’elle tourne comme une rampe de stationnement avec toutes les couches de la pile connectées, alignant l’orientation de chaque couche.

Ensuite, afin de développer une structure en spirale non euclidienne et de faire tourner les spirales, l’équipe de Jin a changé la base à partir de laquelle leurs spirales sont issues. Au lieu de faire croître des cristaux sur un plan plat, Zhao a placé une nanoparticule, comme une particule d’oxyde de silicium, sous le centre de la spirale. Pendant le processus de croissance, la particule perturbe la surface plane et crée une fondation incurvée sur laquelle le cristal 2D se développe.

L’équipe a découvert qu’au lieu d’une spirale alignée où le bord de chaque couche est parallèle à la couche précédente, le cristal 2D forme une spirale multicouche se tordant continuellement qui se tord de manière prévisible d’une couche à la suivante. L’angle de la torsion intercalaire provient d’une discordance entre les cristaux 2D plats (euclidiens) et les surfaces courbes (non euclidiennes) sur lesquelles ils se développent.

Zhao appelle le modèle dans lequel la structure en spirale se développe directement sur la nanoparticule, créant une base en forme de cône, une «spirale fixée». Lorsque la structure se développe sur une nanoparticule décentrée, comme une maison construite à flanc de montagne, il s’agit d’un motif en «spirale non fixée». Zhao a développé un modèle mathématique simple pour prédire les angles de torsion des spirales, basé sur la forme géométrique de la surface courbe, et ses formes en spirale modélisées correspondent bien aux structures développées.

Après la découverte initiale, le professeur de science des matériaux et d’ingénierie UW-Madison Paul Voyles et son élève Chenyu Zhang ont étudié les spirales au microscope électronique pour confirmer l’alignement des atomes dans ces spirales torsadées. Leurs images ont montré que les atomes dans les couches torsadées voisines forment un motif d’interférence se chevauchant attendu appelé motif moiré, qui donne également aux vêtements en soie à couches fines leur éclat et leur ondulation. Le professeur émérite de chimie John Wright et son laboratoire ont mené des études préliminaires suggérant le potentiel de propriétés optiques inhabituelles des spirales torsadées.

Les chercheurs ont utilisé des dichalcogénures de métaux de transition comme couches pour les spirales de torsion, mais le concept ne dépend pas de matériaux spécifiques, du moment qu’il s’agit de matériaux 2D.

«Nous pouvons maintenant suivre un modèle rationnel enraciné dans les mathématiques pour créer une pile de ces couches 2D avec un angle de torsion contrôlable entre chaque couche, et elles sont continues», explique Zhao.

La synthèse directe de matériaux 2D torsadés permettra les études de la nouvelle physique quantique dans ces matériaux 2D «twistroniques», que Jin et ses collaborateurs poursuivent sérieusement.

«Quand vous voyez que tout correspond parfaitement à un modèle mathématique simple et que vous pensez:« Wow, ça marche vraiment », c’est ce genre de joie que nous travaillons sur la recherche – ce moment« eureka »que vous réalisez que vous apprenez maintenant quelque chose que personne d’autre n’a compris auparavant », dit Jin.

Référence: «Spirales supertwisted de matériaux stratifiés permises par la croissance sur des surfaces non euclidiennes» par Yuzhou Zhao, Chenyu Zhang, Daniel D. Kohler, Jason M. Scheeler, John C. Wright, Paul M. Voyles et Song Jin, 23 octobre 2020 , Science.
DOI: 10.1126 / science.abc4284

Ce travail a été soutenu par le ministère de l’Énergie (subventions DE-FG02-09ER46664 et E-FG02-08ER46547).