Физики вырастили рекордно большой лист «белого графена»
Китайские физики вырастили квадратный лист двумерного гексагонального нитрида бора площадью около ста квадратных сантиметров, что почти в тысячу раз больше предыдущего рекорда. Для этого ученые наращивали на медной фольге ступеньки, а затем осаждали на ней пары боразана. Кроме того, предложенный авторами метод легко можно адаптировать для выращивания других двумерных кристаллов. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arxiv.org.
С тех пор, как Андрей Гейм и Константин Новоселов получили графен, физики не прекращают исследовать двумерные материалы и разрабатывать двумерные электронные устройства. По сравнению с обычными электронными приборами на основе оксида кремния двумерные электронные устройства обладают рядом преимуществ — они меньше, быстрее и функциональнее. В настоящее время такие материалы уже используются в электронике, оптоэлектронике и фотовольтаике. Впрочем, чтобы распространить эти достижения на промышленные масштабы, нужно научиться быстро выращивать большие двумерные кристаллы, замещающие привычные электронные компоненты — проводники, полупроводники и изоляторы. Пока что ученые разработали такие методы только для небольшого числа материалов.
В частности, до сих пор физики не умеют выращивать большие площади двумерного гексагонального нитрида бора («белого графена»). Благодаря стабильности, плоской поверхности и широкой запрещенной зоне некоторые физики называют этот материал лучшим двумерным изолятором. К сожалению, типичный размер хлопьев «белого графена» не превышает одного миллиметра. В основном такой малый размер объясняется особенностями роста кристалла. С одной стороны, из-за чрезмерной нуклеации невозможен сценарий, в котором отдельный домен вырастает в крупный монокристалл. С другой стороны, из-за тройной симметрии решетки домены нитрида бора часто повернуты в разные стороны, а потому неспособны склеиться в однородный кристалл. По крайней мере, эти проблемы сопровождают рост нитрида бора на большинстве субстратов.
Однако группа физиков под руководством Ли Вана (Li Wang) придумала, как можно избавиться от этих проблем, и вырастила двумерный кристалл «белого графена» размером 10×10 сантиметров. Это почти в тысячу раз больше предыдущего рекорда. Чтобы добиться такого впечатляющего результата, исследователи адаптировали метод эпитаксиального наращивания графена на фольге меди (111) (с помощью него они два года назад вырастили лист графена размером 5×50 сантиметров). Сам по себе этот материал не очень подходит для выращивания нитрида бора: он обладает слишком высокой симметрией, из-за которой вырастающие домены нитрида бора имею разную ориентацию. Чтобы понизить эту симметрию, исследователи в течение десяти минут отжигали фольгу при температуре 1060 градусов Цельсия (при этой температуре медь начинала плавиться), а потом еще три часа грели ее при температуре 1040 градусов. В результате на ее поверхности образовались ступеньки, которые понижали степень симметрии поверхности и заставляли домены бора ориентироваться в одну и ту же сторону. Образование ступенек ученые контролировали с помощью рентгеноструктурного анализа, то есть просвечивали фольгу рентгеном и измеряли положение дифракционных пиков.
Чтобы нарастить на фольге пленку из «белого графена», исследователи помещали над ней тигель из оксида алюминия, заполняли его боразаном H3B-NH3 и разогревали до температуры 1035 градусов Цельсия. Как только тигель прогревался, ученые понижали давление газа до 0,002 атмосферы и продували его смесью аргона и водорода. Примерно после часа синтеза на поверхности фольги возникали отдельные домены нитрида бора, а еще через два часа домены сливались в сплошной двумерный кристалл. За ростом кристалла ученые следили с помощью рентгеновской, рамановской и абсорбционной спектроскопии, а также с помощью атомного силового и микроскопа и просвечивающего растрового электронного микроскопа. Все эти методы подтвердили, что выращенный двумерный кристалл является кристаллом гексагонального нитрида бора. Более того, измерения показали, что рост домена всегда начинался у подножия ступеньки, благодаря чему 99,5 процентов доменов были ориентированы в одну сторону. Таким образом, кристалл «белого графена» получался однородным.
Наконец, чтобы объяснить, почему домены выстраиваются вдоль ступенек, ученые численно рассчитали энергию связи ступеньки и края домена гексагонального бора. Для этого физики использовали теорию функционала плотности. Как и ожидалось, расчеты показали, что домену наиболее выгодно ориентироваться вдоль направления <221> в кристалле меди. Незначительные же отклонения от этого правила ученые объясняют дефектами ступенек.
Авторы статьи считают, что в будущем разработанный ими метод можно будет адаптировать для выращивания других двумерных кристаллов, обладающих пониженной симметрией — например, дихалькогенидов переходных металлов. Это, в свою очередь, удешевит производство двумерных устройств.
Физики часто используют двумерный гексагональный нитрид бора в качестве вспомогательного материала при проведении других экспериментов. Например, в августе 2015 году исследователи из лаборатории Андрея Гейма в Университете Манчестера предложила «ламинировать» неустойчивые двумерные материалы устойчивыми слоями «белого графена», а затем проверила предложенный способ на монослоях черного фосфора и селенида ниобия. В августе 2018 ученые разработали поворотную гетероструктуру, состоящую из слоев графена и гексагонального нитрида бора. Слои можно поворачивать относительно друг друга и благодаря этому управлять электрическими, оптическими и механическими свойствами образованной гетероструктуры. В апреле 2019 американские ученые поставили с помощью листа «белого графена» рекорд плотности квантовых источников фотонов, тем самым вплотную приблизившись к теоретическому пределу. Кроме того, с помощью двумерного нитрида бора можно печатать гибкие транзисторы, разделять изотопы водорода и превращать топологический изолятор в сверхпроводник.
Дмитрий Трунин
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».