– Diamanter skapas under extremt högt tryck men när de väl är formerade blir de ett av världens hårdaste material som klarar sig fint utan det höga trycket. Det är en egenskap vi försöker uppnå i vår jakt på nya ultratunna och funktionella material, säger Igor Abrikosov, professor i teoretisk fysik på Institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet, LiU.
Tillsammans med forskare i bland annat Tyskland, Nederländerna, Frankrike och USA har LiU-forskarna nu upptäckt ett nytt ultratunt material som liknar supermaterialet grafen. Det nya materialet, som fått namnet beryllonitren, skapas under extremt högt tryck men behåller samma egenskaper även utanför laboratoriemiljön. Något som är ovanligt för material tillverkade under högt tryckt, och en förutsättning för framtida tillämpningar.
– Ultratunna material kan ha fantastiska egenskaper med många tänkbara tillämpningar. När vi letar efter nya material har vi främst haft temperatur och kemisk sammansättning till vårt förfogade för att styra utformningen av materialet.Simulering av beryllonitren. Foto Talha Bin Masood Men tack vare den senaste tidens teknikutveckling har vi nu också möjligheten att skapa material under extremtryck. Det öppnar för många nya möjligheter och spännande material, säger Igor Abrikosov.
Elektroner i ljusets hastighet
Beryllonitren består, som namnet antyder, av beryllium- och kväveatomer som arrangeras i en tvådimensionell struktur. Varje berylliumatom knyter till sig fyra kväveatomer och tillsammans bildar de ett asymmetriskt hexagonalt mönster som elektronerna rör sig i. Elektronerna i den här typen av strukturer rör sig nära ljusets hastighet vilket är en förutsättning för framtida forskning inom partikelfysik och kvantmekanik.
– Med hjälp av material som grafen och beryllonitren får vi ett fantastiskt komplement till stora partikelacceleratorer. I materialen kommer vi kunna studera tillvarons minsta beståndsdelar och fundamentala egenskaper på vårt skrivbord. I förlängningen kan vi också studera och simulera vårt universums egenskaper likväl som andra alternativa universum, säger Igor Abrikosov.
Men den visionen kräver mer forskning för att förverkligas. I närtid är förhoppningen att beryllonitren ska kunna användas i kvanttekniska tillämpningar som supersnabba beräkningar.
Visualisering ger djupare förståelse
Beryllonitren utgör basen en helt ny grupp med material och det finns stora utvecklingsmöjligheter. Ingrid Hotz, professor i vetenskaplig visualisering. Foto Thor BalkhedUpptäckten som nu publiceras i Physical Review Letters är resultatet av ett stort internationellt forskningssamarbete där forskarna från LiU lett det teoretiska arbetet.
Ingrid Hotz är professor vid Institutionen för teknik och naturvetenskap vid LiU och har lett arbetet med den vetenskapliga visualiseringen av materialet. Enligt henne är visualisering viktigt för att få förståelse för hur atomernas koppling till varandra påverkar materialets egenskaper, särskilt under olika förhållanden som exempelvis förändrat tryck.
– Människor är väldigt bra på att känna igen visuella mönster. Med visualisering kan vi få en djupare förståelse för hur den underliggande fysiken i material fungerar. Dessutom kan materialet studeras och jämföras med andra material på en mycket mer detaljerad nivå än med traditionella metoder, säger Ingrid Hotz.
Forskningen finansierades av bland annat Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, regeringens strategiska satsning på Avancerade Funktionella Material vid Linköpings universitet (AFM), The Swedish e-Science Research Centre (SeRC), Vetenskapsrådet samt kompetenscentrumet i materialvetenskap Fun-Mat II.
Artikeln: High-Pressure Synthesis of Dirac Materials: Layered van der Waals Bonded BeN4 Polymorph Maxim Bykov, Timofey Fedotenko, Stella Chariton, Dominique Laniel, Konstantin Glazyrin, Michael Hanfland, Jesse S. Smith, Vitali B. Prakapenka, Mohammad F. Mahmood, Alexander F. Goncharov, Alena V. Ponomareva, Ferenc Tasnádi, Alexei I. Abrikosov, Talha Bin Masood, Ingrid Hotz, Alexander N. Rudenko, Mikhail I. Katsnelson, Natalia Dubrovinskaia, Leonid Dubrovinsky, Igor A. Abrikosov Physical Review Letters 2021 doi: 10.1103/PhysRevLett.126.175501
Fotnot: Grafen är ett ultratunt material som består av ett lager kolatomer ordnade i symmetriska hexagonala strukturer. Materialet har många eftertraktade egenskaper som hög hållfasthet och god ledningsförmåga av både elektroner och värme. Efter upptäckten av grafen har jakten på fler tvådimensionella material ökat intensitet.