Fysikere opdager nye elektroniske egenskaber i todimensionel kulstofstruktur

Rutgers-forskere har opdaget nye elektroniske egenskaber i todimensionelle plader af kulstofatomer kaldet grafen, der en dag kan blive hjertet i hurtige og kraftfulde elektroniske enheder.

De nye resultater, tidligere anset for muligt af fysikere, men først nu set i laboratoriet, vise, at elektroner i grafen kan interagere stærkt med hinanden. Opførselen ligner superledningsevne observeret i nogle metaller og komplekse materialer, præget af strømmen af ​​elektrisk strøm uden modstand og andre usædvanlige, men potentielt nyttige egenskaber. I grafen, denne adfærd resulterer i en ny væskelignende fase af stof bestående af fraktioneret ladede kvasipartikler, hvor ladningen transporteres uden afledning.

I et papir udgivet online af det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Natur og planlagt til trykt udgivelse i de kommende uger, fysikprofessor Eva Andrei og hendes Rutgers-kolleger bemærker, at det stærke samspil mellem elektroner, også kaldet korreleret adfærd, var ikke blevet observeret i grafen på trods af mange forsøg på at lokke det ud. Dette fik nogle videnskabsmænd til at stille spørgsmålstegn ved, om korreleret adfærd overhovedet kunne være mulig i grafen, hvor elektronerne er masseløse (ultra-relativistiske) partikler som fotoner og neutrinoer. I de fleste materialer, elektroner er partikler, der har masse.

"Vores arbejde viste, at tidligere fejl i at observere korreleret adfærd ikke skyldtes grafens fysiske natur, " sagde Eva Andrei, fysikprofessor ved Rutgers School of Arts and Sciences. "Hellere, det var på grund af interferens fra det materiale, der understøttede grafenprøver, og den type elektriske prober, der blev brugt til at studere det."

Denne konstatering bør tilskynde videnskabsmænd til yderligere at forfølge grafen og relaterede materialer til fremtidige elektroniske applikationer, herunder erstatninger for nutidens siliciumbaserede halvledermaterialer. Industrieksperter forventer, at siliciumteknologi vil nå fundamentale ydeevnegrænser om lidt mere end et årti.

Rutgers-fysikerne beskriver yderligere, hvordan de observerede den kollektive opførsel af de ultrarelativistiske ladningsbærere i grafen gennem et fænomen kendt som den fraktionelle kvante-Hall-effekt (FQHE). FQHE ses, når ladningsbærere er begrænset til at bevæge sig i et todimensionalt plan og er udsat for et vinkelret magnetfelt. Når vekselvirkningerne mellem disse ladningsbærere er tilstrækkelig stærke danner de nye kvasipartikler med en brøkdel af en elektrons elementære ladning. FHQE er den essentielle signatur af stærkt korreleret adfærd blandt ladningsbærende partikler i to dimensioner.

FHQE er kendt for at eksistere i halvlederbaserede, todimensionelle elektronsystemer, hvor elektronerne er massive partikler, der adlyder konventionel dynamik versus masseløse partiklers relativistiske dynamik. Imidlertid, det var ikke indlysende før nu, at ultrarelativistiske elektroner i grafen ville være i stand til at udvise kollektive fænomener, der giver anledning til FHQE. Rutgers-fysikerne var overraskede over, at FHQE i grafen er endnu mere robust end i standardhalvledere.

Forskere laver grafenplastre ved at gnide grafit - det samme materiale i almindelig blyant - på en siliciumwafer, som er en tynd skive siliciumkrystal, der bruges til at lave computerchips. Derefter kører de elektriske veje til grafenplastrene ved hjælp af almindelige integrerede kredsløbsfremstillingsteknikker. Mens videnskabsmænd var i stand til at undersøge mange egenskaber ved den resulterende grafen elektroniske enhed, de var ikke i stand til at fremkalde den eftertragtede fraktionelle kvante Hall-effekt.

Andrei og hendes gruppe foreslog, at urenheder eller uregelmæssigheder i det tynde lag af siliciumdioxid, der lå under grafenet, forhindrede forskerne i at opnå de krævende betingelser, de havde brug for. Postdoktor Xu Du og bachelorstuderende Anthony Barker var i stand til at vise, at udætsning af flere lag siliciumdioxid under grafenpletterne i det væsentlige efterlader en intakt grafenstrimmel suspenderet i luften af ​​elektroderne. Dette gjorde det muligt for gruppen at demonstrere, at bærerne i suspenderet grafen i det væsentlige forplanter sig ballistisk uden at spredes fra urenheder. Et andet afgørende skridt var at designe og fremstille en sondegeometri, der ikke forstyrrede målinger, som Andrei havde mistanke om, at de tidligere gjorde. Disse viste sig at være afgørende skridt til at observere den korrelerede adfærd i grafen.

I de seneste måneder, andre akademiske og virksomhedsforskningsgrupper har rapporteret strømlinede grafenproduktionsteknikker, som vil drive yderligere forskning og potentielle anvendelser.

Kilde:Rutgers University (nyheder:web)