Fange grafen sommerfugle

Skriver ind Natur , et stort internationalt hold ledet Dr. Roman Gorbatjov fra University of Manchester viser, at når grafen placeres oven på isolerende bornitrid, eller 'hvid grafen', grafenens elektroniske egenskaber ændrer sig dramatisk, hvilket afslører et mønster, der ligner en sommerfugl.

Mønsteret omtales som den undvigende Hofstadter-sommerfugl, der har været kendt i teorien i mange årtier, men aldrig før observeret i eksperimenter.

Kombination af grafen med andre materialer i flerlagsstrukturer kan føre til nye applikationer, der endnu ikke er udforsket af videnskaben eller industrien.

Graphene er verdens tyndeste, stærkeste og mest ledende materiale, og lover en lang række forskellige anvendelser; fra smartphones og ultrahurtigt bredbånd til medicinlevering og computerchips. Det blev første gang demonstreret på University of Manchester i 2004.

Indledende forsøg med forbrugerprodukter, der involverer grafenbaserede berøringsskærme og batterier til mobiltelefoner og kompositmaterialer til sportsartikler, udføres af store multinationale virksomheder.

En af de mest bemærkelsesværdige egenskaber ved grafen er dens høje ledningsevne - tusindvis af gange højere end kobber. Det skyldes et helt særligt mønster skabt af elektroner, der bærer elektricitet i grafen. Bærerne kaldes Dirac-fermioner og efterligner masseløse relativistiske partikler kaldet neutrinoer, undersøgelser, som normalt kræver enorme faciliteter såsom på CERN. Muligheden for at adressere lignende fysik i et skrivebordseksperiment er en af ​​de mest kendte egenskaber ved grafen.

Nu har Manchester-forskerne fundet en måde at skabe flere kloner af Dirac-fermioner på. Grafen placeres oven på bornitrid, så grafens elektroner kan 'føle' individuelle bor- og nitrogenatomer. Bevæger sig langs dette atomiske 'vaskebræt', elektroner omarrangerer sig igen og producerer flere kopier af de originale Dirac-fermioner.

Forskerne kan skabe endnu flere kloner ved at anvende et magnetfelt. Klonerne producerer et indviklet mønster; Hofstadter sommerfuglen. Det blev først forudsagt af matematikeren Douglas Hofstadter i 1976 og, trods mange dedikerede eksperimentelle indsatser, ikke mere end et sløret glimt blev rapporteret før.

Ud over den beskrevne grundlæggende interesse, Manchester-undersøgelsen beviser, at det er muligt at ændre egenskaberne af atomisk tynde materialer ved at placere dem oven på hinanden. Dette kan være nyttigt, for eksempel, til grafenapplikationer såsom ultrahurtige fotodetektorer og transistorer, giver en måde at finjustere dens utrolige egenskaber på.

Professor Andre Geim, Nobelpristager og medforfatter til papiret, sagde:"Selvfølgelig det er rart at fange den smukke 'sommerfugl', som undvigende plagede fysikere i generationer.

"Vigtigere, Dette arbejde viser, at vi nu er i stand til at opbygge en principielt ny slags materialer ved at stable individuelle atomplaner i en ønsket rækkefølge."

Dr Gorbatjov tilføjede:"Vi forberedte et sæt forskellige atomisk tynde materialer, der ligner grafen, og stablede dem derefter oven på hinanden, et atomplan ad gangen. Sådanne kunstige krystaller ville have været science fiction for et par år siden. Nu er de virkelighed i vores laboratorium. En dag vil du måske finde disse strukturer i dine gadgets."

Professor Geim tilføjede:"Dette er et vigtigt skridt ud over 'simpel grafen'. Vi bygger nu grundlaget for et nyt forskningsområde, der virker rigere og endnu vigtigere end grafen selv."