Из оксида молибдена сделали первый двумерный пьезоэлектрик-электрет
Физики впервые получили двумерный оксид молибдена, который демонстрирует пьезоэлектрические свойства. Обычно пьезоэлектриками являются нецентросимметричные кристаллы, но оксид молибдена таким не является. В новом материале ученые смогли искусственно добиться пьезоэлектрических свойств за счет добавления структурных дефектов, в результате чего он стал электретом с долгим сроком хранения. Статья опубликована в журнале Advanced Materials.
Существует класс материалов, называемый пьезоэлектриками. Как правило, это кристаллы, элементы атомной решетки которых не симметричны (хиральны).
В таких кристаллах при деформации возникает напряжение и, например, на этом принципе работает электроискра у бытовых зажигалок, или же с его помощью можно сделать тактильный сенсор. Кроме того, бывает и обратный пьезоэффект, когда материал деформируется при подаче на него напряжения. На основе этого работают, например, форсунки струйных принтеров.
С тех пор, как были открыты кристаллы из одного слоя атомов, ученые ищут способ изготавливать из них материалы с разными физико-химическими свойствами, в том числе пьезоэлектрики. Несмотря на то, что объединяя одноатомные слои графена или нитрида бора уже удавалось получить хиральные кристаллы, физики продолжают попытки добиться пьезоэлектрического отклика именно от единственного слоя атомов.
Доктор Эмей Апт (Amey Apte) из Университета Райса и его коллеги предложили способ искусственного придания пьезоэлектрических свойств двумерному оксиду молибдена, чья решетчатая структура в норме симметричная.
Помимо пьезокристаллов, напряжение при деформации создают также электреты. Электреты — это, как правило, полимерные пены, отлитые в сильном электрическом поле, которое перемещает носители заряда в материале таким образом, что он приобретает постоянную поляризацию. К сожалению, эта поляризация деградирует в течение нескольких лет, а высокие температуры уничтожают ее мгновенно.
Исследователи решили придать оксиду молибдена аналогичные свойства. Если его хлопья получать методом конденсации из пара, кристаллическая решетка будет обладать дефектами — разрывами. Эти разрывы приобретают заряд, и в результате получается двумерный кристаллический электрет, подобно полимерным аналогам также производящий напряжение при деформации.
Измерения показали, что удельный пьезоэлектрический отклик электрета из оксида молибдена равен 0,56 пикометров на вольт, что примерно равно таковому у пьезоэлектриков на основе графена (0,2-1 пикометров на вольт). При этом, в отличие от полимерных электретов, заряды в оксиде молибдена не деградируют в течение долгого времени, вплоть до нескольких столетий. В первую очередь, это открытие интересно тем, что показывает путь искусственного создания пьезоэлектрических свойств.
Особенности строения решетки кристаллов наделяет их разными свойствами. Например, именно разная ориентация кристаллов в зубной эмали объясняет ее прочность, а измерение колебания решеток металлов и их оксидов может помочь уточнить фундаментальные физические константы.
Василий Зайцев
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».