Истраживачи на БЕССИ ИИ су по први пут експериментално потврдили да материјал може показати заиста једнодимензионална електронска својства. Тим је проучавао кратке ланце атома фосфора који се природно постављају под одређеним угловима на сребрној површини. Применом напредних техника мерења и анализе, одвојили су сигнале који долазе из ланаца поређаних у различитим правцима. Овај пажљив рад показао је да се сваки појединачни ланац понаша као прави једнодимензионални електронски систем.
Налази такође указују на драматичну промену у понашању у зависности од тога колико су ланци распоређени. Када су ланци удаљенији, материјал делује као полупроводник. Међутим, ако се збије чврсто заједно, прорачуни предвиђају да би се понашао као метал.
Од дводимензионалних материјала до једне димензије
Сви материјали су изграђени од атома који се међусобно везују у различитим обрасцима. У већини чврстих тела, атоми се повезују и унутар равни и вертикално. Неки елементи, као што је угљеник, могу да формирају графен, дводимензионалну (2Д) хексагоналну мрежу у којој се атоми везују само унутар једног слоја. Фосфор је такође способан да формира стабилне 2Д структуре.
Дводимензионални материјали су привукли велико интересовање због својих необичних електронских и оптичких својстава. Теоријске студије сугеришу да би скупљање материјала још даље у једнодимензионалне структуре могло произвести још изузетније електро-оптичке ефекте.
Самосастављени фосфорни ланци на сребру
Под пажљиво контролисаним условима, атоми фосфора се могу организовати у кратке, равне линије на сребрној подлози. Структурно, ове линије изгледају једнодимензионално. Међутим, суседни ланци и даље могу да комуницирају један са другим са стране. Те латералне интеракције могу изменити електронску структуру и потенцијално пореметити право једнодимензионално понашање. До сада истраживачи нису могли јасно да измере да ли су сами електрони ограничени на једну димензију.
„Кроз веома темељну евалуацију мерења на БЕССИ ИИ, сада смо показали да такви фосфорни ланци заиста имају једнодимензионалну електронску структуру“, каже професор Оливер Радер, шеф одељења за спин и топологију у квантним материјалима у ХЗБ.
Др Андреј Варихалов и његове колеге су прво креирали и испитали ланце фосфора користећи криогени скенирајући тунелски микроскоп (СТМ). Слике су откриле кратке фосфорне ланце који се формирају у три различита правца преко сребрне површине, а сваки је одвојен угловима од 120 степени.
АРПЕС открива праву 1Д електронску структуру
„Постигли смо веома квалитетне резултате, што нам је омогућило да посматрамо стајаће таласе електрона који се формирају између ланаца“, каже Варихалов. Тим је затим мапирао електронску структуру користећи фотоелектронску спектроскопију са угаоном резолуцијом (АРПЕС) на БЕССИ ИИ, технику у којој имају велико искуство.
Предвиђени фазни прелаз полупроводника у метал
Кључну улогу у тумачењу података имали су др Максим Кривенков и др Марјам Саједи. Пажљиво одвајајући доприносе из три различито оријентисана домена ланца, успели су да изолују електронски потпис сваког ланца. „Могли бисмо да раздвојимо АРПЕС сигнале из ових домена и на тај начин покажемо да ови 1Д фосфорни ланци заправо поседују и веома различиту 1Д електронску структуру“, каже Кривенков.
Прорачуни засновани на теорији функционалне густине подржавају експерименталне резултате и сугеришу важан помак како се ланци приближавају. Предвиђа се да ће јаче интеракције између суседних ланаца покренути фазни прелаз са полупроводника на метал како се повећава густина ланца. Другим речима, ако ланци формирају чврсто збијени дводимензионални низ, материјал би се понашао као метал.
„Овде смо ушли у ново поље истраживања, неистражену територију где ће вероватно бити направљена многа узбудљива открића“, каже Варихалов.
