Varme-elskende kvantesvingninger

Den hastigt udviklende videnskab og teknologi inden for grafen og atomisk tynde materialer har taget endnu et skridt fremad med ny forskning fra University of Manchester.

Denne forskning, udgivet i Videnskab , viser, hvordan en række forskellige elektroniske egenskaber - i det væsentlige nye materialer - kan realiseres blot ved at anvende et magnetfelt.

Elektroner inde i materialer bevæger sig ganske anderledes end en fri elektron i vakuum:deres egenskaber er stærkt påvirket af det elektriske potentiale for ioner, der omfatter krystalgitteret. Denne interaktion ændrer massen af ​​elektroner og gør materialer til enten metaller, halvledere eller isolatorer, afhængigt af den detaljerede atomstruktur. Dette giver den store variation af materialeegenskaber, vi kender og arbejder med.

tidligere, forskerne ved University of Manchester har fundet måder at skabe nye materialer med skræddersyede elektroniske egenskaber ved at placere et elektronisk materiale (i dette tilfælde grafen) oven på en anden krystal, sekskantet bornitrid. Nu, de demonstrerer, hvordan man opretter en hel sekvens af forskellige elektroniske materialer ved blot at indstille det anvendte magnetfelt.

I denne kombination af materialer, bornitridatomer skaber et periodisk mønster for elektroner i grafen kendt som et supergitter. En sådan supergitter er karakteriseret ved længdeskalaen af ​​det periodiske mønster, der henviser til, at styrken af ​​det anvendte magnetfelt kan tælles i såkaldte flux quanta, elementære magnetfeltenheder.

En matchende betingelse opnås hver gang, når en heltalsbrøkdel af fluxkvantumet trænger gennem et område givet af det elementære supergitter. Ved disse særlige værdier af magnetfelt, forskerne observerede, at elektroner begyndte at bevæge sig langs lige linjer, som om magnetfeltet var fraværende.

Dette er i stærk kontrast til elektronernes kendte adfærd i et magnetfelt, hvor elektroner skal bevæge sig langs buede baner kendt som cyklotronbaner. Som et resultat af disse ændringer fra lige til buede baner og tilbage ved mange matchende betingelser, forskerne fandt svingninger i elektrisk ledningsevne af grafen -supergitter.

Alle tidligere kendte svingninger i et magnetfelt kræver lave temperaturer, typisk lig med når helium bliver til en væske. I modsætning, de nye svingninger blev observeret ved meget høje temperaturer, godt over stuetemperatur.

Professor Sir Andre Geim fra University of Manchester, der vandt Nobelprisen i fysik i 2010 for sit arbejde med grafen, ledet den eksperimentelle indsats og sagde:"Oscillerende kvanteeffekter præsenterer altid milepæle i vores forståelse af materialegenskaber. De er yderst sjældne. Det er mere end 30 år siden, at der blev rapporteret om en ny type kvantesvingninger."

Han tilføjede:"Vores svingninger skiller sig ud ved deres ekstreme robusthed, sker under omgivelsesbetingelser i let tilgængelige magnetfelter. "

Et andet bemærkelsesværdigt aspekt ved dette arbejde er, at grafen-supergitter tidligere har været brugt til at studere såkaldte Hofstadter-sommerfugle, subtile ændringer i den elektroniske struktur med magnetfelt. Disse ændringer udviser en fascinerende fraktalstruktur.

Professor Vladimir Falko, Direktør for National Graphene Institute, der ydede teoretisk støtte i dette arbejde, kommenterede:"Vores arbejde hjælper med at afmystificere Hofstadter-sommerfuglen. Den komplekse fraktale struktur af Hofstadter-sommerfuglespektret kan forstås som simpel Landau-kvantisering i sekvensen af ​​nye metaller skabt af magnetiske Mark."