O potencjalnych zastosowaniach struktur moiré w nanostrukturach: fotonice i optoelektronice mówi w rozmowie z PAP dr hab. Maciej Molas z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, jeden ze współautorów artykułu przeglądowego w „Science”.

Goście stacji telewizyjnych instruowani są zwykle, żeby nie zakładać ubrań w paseczki, drobną kratkę czy pepitkę. Nie bez powodu. Na zdjęciu takiego ubrania widać często dodatkowe, nieistniejące wzory. A na nagraniu wideo jest jeszcze gorzej - nowy deseń porusza się i nieznośnie migocze, odwracając uwagę widza.

Ten tzw. efekt moiré - po polsku nazywany po prostu morą (nazwa pochodzi od tkaniny, zwykle jedwabnej, na której pojawia się charakterystyczny deseń) - ma związek z interferencją, czyli nakładaniem się na siebie dwóch podobnych wzorów. Jeśli jeden wzór przesunięty jest względem drugiego lub obrócony o pewien kąt, niektóre elementy tych układów zasłaniają się nawzajem, a inne - wizualnie zlewają, tworząc dodatkowe większe struktury wychwytywane przez oko.

Efekt moiré obserwujemy na poruszających się na wietrze gęstych firankach czy nawet dwóch rzędach szczebelków mijanego wiaduktu.

Fot. Mora widoczna na wzorze tworzonym przez cegły i dachówki budynków . Źródło: Wikipedia/ Colin Pelka

Popularne są również iluzje optyczne, gdzie folię z drobnym deseniem porusza się po nieczytelnym wzorze, aby zobaczyć coś na kształt animacji.

Efekt moiré pojawia się też często, kiedy robimy np. komórką zdjęcie ekranu komputera. Na zdjęciu pojawiają się charakterystyczne prążki, niewidoczne gołym okiem. Ma to związek z nakładaniem się wzorów, które tworzą piksele na fotografowanym ekranie oraz piksele w czujniku kamery.

Mora znana jest też poligrafom. Wiedzą oni, że np. na plakatach należy odpowiednio ustawić względem siebie kropki rastra (składają się one na widoczny z oddalenia finalny kolor). Jeśli siatki tych punktów ustawi się pod nieodpowiednim kątem względem siebie, na wydruku pojawiają się dodatkowe - zwykle niepożądane - wzory. 

Źródło: Wikipedia/ Nadar, CC BY-SA 3.0

NARODZINY NOWEJ DZIEDZINY

Kilka lat temu odkryto, że struktury moiré powstają też w zupełnie niespodziewanym miejscu. Mogą być obecne między warstwami struktur zbudowanych z pojedynczej warstwy atomów, tworzących dwuwymiarową sieć - choćby między warstwami grafenu.

Rys: Monowarstwa diselenku molibdenu obrócona względem monowarstwy diselenku wolframu o 5 stopni. W tym ułożeniu dostrzegalna jest mora: większa sześciokątna sieć. Rys. Maciej Molas

"Jest bardzo duża grupa materiałów składających się z warstw o atomowej grubości - to tak zwane struktury van der Waalsa. Warstwy tych materiałów można układać na sobie w dowolny sposób, bo nie powstają między nimi silne wiązania. W ten sposób otrzymujemy nowy stopień swobody, jakim jest kąt skręcenia między tymi strukturami. Okazuje się, że ten kąt odgrywa bardzo ważną rolę we właściwościach elektronowych nowych struktur. Powstaje tam nowa periodyczność" - tłumaczy w rozmowie z PAP dr hab. Maciej Molas.

Jeśli chodzi o nanostruktury - opowiada dr hab. Molas - pierwszy raz morę zaobserwowano w dwóch warstwach grafenu ułożonych względem siebie pod tzw. magicznym kątem (ok. 1,1 stopnia). Dzięki takiemu ułożeniu udało się uzyskać w takich strukturach nadprzewodnictwo o bardzo specyficznych właściwościach - nieobserwowanych w pojedynczej warstwie grafenu.

Mora powstawać może też pomiędzy dwiema warstwami różnych materiałów, np. dwutlenku molibdenu i dwusiarczku wolframu, gdzie przy pewnych ułożeniach pojawiają się nowe stany energetyczne.

Kiedy obraca się warstwy struktur van der Waalsa względem siebie, zmienia się to, jak między nimi poruszają się ładunki elektryczne. I tak np. pojawiać się tam mogą takie "oczka" supersieci, w które elektrony łapią się jak w pułapkę. W ten sposób w nanokanapce - między dwiema monowarstwami materiału - powstaje obiekt przypominający kropkę kwantową - źródło pojedynczych fotonów.

KRYPTOGRAFIA I DETEKTORY

Fizyk tłumaczy, że takie źródła pojedynczych fotonów, "fotony na żądanie", przydać się mogą choćby w kryptografii kwantowej, gdzie pojedyncze fotony są potrzebne, aby generować sygnał, którego nie będzie się dało bezkarnie podsłuchać. W tego typu urządzeniach do odbiorcy wysyłane są serie pojedynczych fotonów. Jeśli któryś z nich zostanie po drodze przez kogoś zaobserwowany, będzie o tym od razu wiadomo.

Fotony na żądanie przydać się też mogą w fotonice - do opracowania diod o energiach dobieranych na żądanie. “Wiemy, że materiały, z których produkuje się diody, mają określoną energię emisji. A w supersieciach moiré pojawiają się zupełnie nowe energie emisji fotonów, co możemy wykorzystywać w praktyce, aby wytwarzać diody o nowych możliwościach" - opisuje dr Molas.

Nowe właściwości “obracanych kanapek” z materiałów warstwowych można też wykorzystać do budowy niezwykle czułych detektorów, zdolnych wychwytywać pojedyncze fotony (np. wykrywać najmniejsze ślady promieniowania podczerwonego).

Możliwe są też zastosowania tych nowo opisanych właściwości w fotowoltaice, jeśli chcemy, aby materiały miały możliwość absorpcji fotonów z całego zakresu widma promieniowania słonecznego.

MORZE WYZWAŃ? MOŻE

Badacz opowiada, że na razie do zastosowań jest jeszcze daleko. A dużym wyzwaniem jest ciągle produkcja materiałów monowarstwowych.

Sporo najlepszych materiałów monowarstwowych otrzymuje się bowiem w dalszym ciągu dosyć chałupniczą metodą - poprzez eksfoliację, czyli odklejanie pojedynczych warstw atomowych ze struktury złożonej z wielu słabo ze sobą sklejonych warstw. Najbardziej znanym przykładem eksfoliacji były – nagrodzone Noblem – badania grafenu poprzez odklejanie z grafitu coraz cieńszych warstw odpowiednią taśmą klejącą.

Jeśli zaś chcemy wykorzystać materiały warstwowe o grubości atomowej w przemyśle, potrzebne są sposoby, aby wytwarzać takie warstwy w sposób kontrolowany - np. sprawiać, żeby wzrastały one na podłożach. Ten proces ciągle nie jest jeszcze dopracowany, ale naukowcy intensywnie pracują nad jego doskonaleniem, między innymi na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala