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Jun 16, 2023

グラフェン: 完璧は無駄だ

世の中に完璧なものはありません。 これは材料研究にも当てはまります。 コンピューター シミュレーションでは、高度に理想化された方法でシステムを表現することがよくあります。 たとえば、プロパティを計算します。

世の中に完璧なものはありません。 これは材料研究にも当てはまります。 コンピューター シミュレーションでは、高度に理想化された方法でシステムを表現することがよくあります。 たとえば、完全に完璧な結晶が持つであろう特性を計算します。 しかし実際には、結晶格子内の欠陥、材料に付着する追加の粒子、粒子間の複雑な相互作用など、追加の影響に常に対処する必要があります。 したがって、重要な問題は、これらの避けられない追加効果によって材料特性が変化するのか、それとも変化しないのかということです。

これは、炭素原子の単一層のみで構成される二次元材料グラフェンの場合に特に興味深い。 グラフェンが優れた電子特性を有することは古くから知られていました。 しかし、これらの特性がどの程度安定しているかはこれまで不明でした。 それらは実際には避けられない外乱や追加の影響によって破壊されるのでしょうか、それとも無傷で残るのでしょうか? ウィーン工科大学 (ウィーン)今は成功しました現実的なグラフェン構造の包括的なコンピューターモデルの開発において。 望ましい効果が非常に安定していることがわかりました。 完全ではないグラフェン片であっても、技術的用途に十分に使用できます。 これは世界のグラフェン コミュニティにとって朗報です。

ウィーン工科大学理論物理学研究所のフロリアン・リビッシュ教授は、「私たちは電流が小さなグラフェン内でどのように伝播するかを原子スケールで計算しています」と語る。 「電子が物質中を移動するにはさまざまな方法があります。量子物理学の規則によれば、電子はこれらの経路の 1 つを選択する必要はありません。電子は同時に複数の経路を通ることができます。」

これらの異なるパスは、さまざまな方法でオーバーラップすることができます。 非常に特定のエネルギー値では、パスは互いに打ち消し合います。 このエネルギーでは、電子がグラフェン片を通過する確率は非常に低く、電流は最小限になります。 これを「破壊的干渉」といいます。

「量子物理的な理由により、非常に特定のエネルギー値で電流が劇的に減少するという事実は、技術的に非常に望ましい効果です」とリビッシュ氏は説明します。 「これは、たとえば、コンピューターチップ内の電子部品が行うのと同様に、小さなサイズの情報を処理するために使用できます。」

新しい量子センサーを開発するためにそれを使用することもできます。グラフェン片が事実上まったく電流を通さないと仮定します。 すると突然、外部からの分子がグラフェンの表面に付着します。 「この 1 つの分子がグラフェン片の電子特性をほんの少し変えるだけで、電流の流れを突然大幅に増加させるのに十分な可能性があります」とロバート・スタドラー博士は言います。 「これは非常に高感度のセンサーを作るために使用できるかもしれません。」

しかし、細部に影響を与える物理的効果は非常に複雑です。「グラフェン片のサイズと形状は常に同じとは限らず、数学的に計算するのが非常に難しい複数の電子間に多体相互作用が存在する可能性があります。」場所によっては不要な余分な原子が存在し、原子は常に少しぐらつきます。材料のグラフェンを真に現実的な方法で表現できるようにするには、これらすべてを考慮する必要があります」とアンジェロ ヴァリ博士は言います。

これはまさにウィーン工科大学で現在達成されていることです。ヴァリ、シュタドラー、トーマス・ファビアン、リビッシュは、コンピューター モデルで材料のさまざまな効果を正確に記述することに長年の経験を持っています。 彼らの専門知識を組み合わせることで、グラフ内に存在するすべての関連誤差源と摂動効果を含む包括的なコンピュータ モデルの開発に成功しました。 そうすることで、これらのエラー源が存在する場合でも、望ましい効果が依然として目に見えることを示すことができました。 量子効果により、電流がごくわずかしか流れない特定のエネルギーを見つけることはまだ可能です。 これがもっともらしいことは実験によってすでに示されていましたが、体系的な理論的研究はこれまで存在していませんでした。