빛으로 제어하는 2 차원 물질
최근 몇 년 동안 원자 층 두께 물질에 대한 많은 연구가 진행되었다. 이 2-D 재료는 뛰어난 기계적 강도와 우수한 전기 및 열 전도성과 같은 흥미로운 특성을 가질 수 있으며 플렉서블 전자소자, 데이터 저장 장치, 태양 전지, 발광 다이오드 및 화학 촉매 물질을 포함한 다양한 차세대 응용에 도움이 될 수 있다. 또한 연구자들은 광 펄스를 사용하여 한 상태 또는 다른 상태로 빠르게 전환할 수 있는 광 펄스를 사용하여 이러한 재료의 특성을 조정할 수 있다고 생각한다. 예를 들어 절연 상태에서 전도 상태로 전환할 수 있다.
그러나 이를 수행하는 능력은 빛의 에너지가 물질의 원자핵으로 얼마나 효율적으로 전달되는지에 달려 있다. 최근 에너지 부의 SLAC 국립 가속기 연구소 (National Accelerator Laboratory) 연구팀은 에너지 전달이 매우 빠르고 효율적이라는 것을 처음으로 보여 주었다.
연구팀의 데이터는 본질적으로 모든 빛 에너지가 1 조 분의 1 초 내에 물질의 원자핵의 진동으로 변환된다는 것을 보여준다 (Nature Communications, ("Ultrafast non-radiative dynamics of atomically thin MoSe2"). 이러한 효율적인 에너지 전환은 이러한 핵 동작은 물질에서 상전이 (phase transition)라고 불리는 것을 일으킬 수 있기 때문에 매우 중요하다. 이는 물질의 특성을 변화시키는 변화이다.
연구원들은 잠재적으로 반도체 상태에서 금속 상태로 또는 그 반대로 전환될 수 있는 2-D 물질에 대한 모델 시스템인 몰리브 디셀레나이드 2 중층으로 만들어진 샘플을 관찰했다. 그들은 처음에 매우 짧은 레이저 펄스로 샘플을 부딪쳐서 SLAC의 초고속 전자 회절 (Ufast)을 위한 SLAC의 초고속 "전자 카메라"로 시간이 지남에 따라 에너지가 물질에 어떻게 퍼지는지 관찰했다. 이는 샘플의 원자 구조와 핵 동작을 관찰하기 위해 매우 강력한 전자 빔을 이용한 고속 전자 회절 (UED)를 위한 장치이다.
UED는 매우 얇은 2-D 재료의 연구를 위한 강력한 도구이다. 이 기술은 상대적으로 강한 신호와 높은 공간 분해능을 제공하며, 원자 구조의 영상을 제작할 때 X-선 레이저 연구를 훌륭하게 보완한다.
연구팀은 몰리브덴 디셀레나이드에서 상전이를 발견하지 못했지만 그 결과는 레이저 광에서 물질로의 에너지 전달을 더 잘 이해할 수 있게 해 주었다.
빛으로 제어할 수 있는 2-D 물질을 설계하는 첫 번째 중요한 단계이며 다음 단계는 다른 물질에서 빛으로 유도된 상전이를 볼 수 있는지, 특정 방향으로 위상 변화를 조정하여 특성을 제어할 수 있는 물질을 만들 수 있는지를 찾는 것이다.
생물체 게놈에 관한 모든 것을 찾아내는 생물학적 게놈 프로젝트와 마찬가지로 연구팀의 목표는 물질에 관한 모든 것을 배우고 물질 특성에 대한 정확한 예측을 가능하게 하는 계산 도구를 개발하는 것이다. 서든 캘리포니아 대학 주도의 MAGICS (Materials Genome Innovation for Computational Software) 센터는 첨단 컴퓨터 코드를 개발하고 2-D 재료의 복잡한 합성을 수행하며 컴퓨터 모델 테스트에 필요한 실험 데이터를 제공하는 연구원들을 모으고 있다. SLAC에서 UED 실험과 초고속 X- 레이 연구를 하고 있지만 센터 연구팀의 노력 없이는 불가능하다.
