Ny undersøgelse bekræfter eksotiske elektriske egenskaber af grafen

(PhysOrg.com) -- Først, det var de fodbold-formede molekyler, der blev kaldt buckyballs. Så var det de cylindrisk formede nanorør. Nu, det hotteste nye materiale inden for fysik og nanoteknologi er grafen:et bemærkelsesværdigt fladt molekyle lavet af kulstofatomer arrangeret i sekskantede ringe, ligesom molekylært hønseneråd.

Ikke alene er dette det tyndeste materiale muligt, men det er også 10 gange stærkere end stål, og det leder elektricitet bedre end noget andet kendt materiale ved stuetemperatur. Disse og grafens andre eksotiske egenskaber har tiltrukket sig fysikeres interesse, der vil studere dem, og nanoteknologer, der ønsker at udnytte dem til at lave nye elektriske og mekaniske apparater.

"Der er to funktioner, der gør grafen enestående, " siger Kirill Bolotin, der netop er blevet tilknyttet Vanderbilt Institut for Fysik og Astronomi som adjunkt. "Først, dens molekylære struktur er så modstandsdygtig over for defekter, at forskere har været nødt til at lave dem i hånden for at studere, hvilke effekter de har. Sekund, elektronerne, der bærer elektrisk ladning, rejser meget hurtigere og opfører sig generelt, som om de har langt mindre masse, end de gør i almindelige metaller eller superledere."

Bolotin har været direkte involveret i bestræbelserne på at fremstille og karakterisere dette eksotiske nye materiale som post-doc-stipendiat i Philip Kims laboratorium ved Columbia University. I et papir offentliggjort i sidste uge i tidsskriftet Natur , han og hans Columbia-kolleger rapporterer, at de har formået at rense grafen nok, så det udviser et bizart elektrisk fænomen kaldet den fraktionelle kvante-Hall-effekt, hvor elektronerne virker sammen for at skabe nye partikler med elektriske ladninger, der er en brøkdel af individuelle elektroner.

Selvom grafen er det første virkelig todimensionelle krystallinske materiale, der er blevet opdaget, I årenes løb har videnskabsmænd tænkt meget over, hvordan todimensionelle gasser og faste stoffer skal opføre sig. Det er også lykkedes dem at skabe en tæt tilnærmelse til en todimensionel elektrongas ved at binde to lidt forskellige halvledere sammen. Elektroner er begrænset til grænsefladen mellem de to, og deres bevægelser er begrænset til to dimensioner. Når et sådant system køles ned til mindre end én grad over det absolutte nulpunkt, og der påføres et stærkt magnetfelt, så vises den fraktionelle kvante Hall-effekt.

Siden videnskabsmænd fandt ud af, hvordan man laver grafen for fem år siden, de har forsøgt at få det til at udvise denne effekt med kun marginal succes. Ifølge Bolotin, Columbia-gruppen fandt ud af, at interferens fra overfladen, grafenen sad på, var problemet. Så de anvendte halvlederlitografiteknikker til at suspendere ultrarene grafenplader mellem mikroskopiske stolper over overfladen af ​​halvlederchips. Da de afkølede denne konfiguration inden for seks grader af det absolutte nulpunkt og påførte et magnetfelt, grafenen genererede en robust kvante Hall-effekt som forudsagt af teori.

Den bedste måde at forstå denne kontraintuitive effekt på er at tænke på elektronerne i grafen som en dannelse af et (meget tyndt) hav af ladninger. Når magnetfeltet påføres, det genererer hvirvler i elektronvæsken. Fordi elektroner bærer en negativ ladning, disse hvirvler har en positiv ladning. De dannes med brøkladninger såsom en tredjedel, halvdelen og to tredjedele af en elektron. Disse positive ladningsbærere tiltrækkes af og binder sig til ledningselektronerne, skabe kvasipartikler med fraktioneret ladninger.

Det er vigtigt at forstå grafens elektriske egenskaber, fordi i modsætning til de andre materialer, der bruges af elektronikindustrien, det forbliver stabilt og ledende ned til molekylær skala. Som resultat, når den nuværende siliciumteknologi når det er en grundlæggende miniaturiseringsgrænse i de kommende år, grafen kunne meget vel tage sin plads.

I mellemtiden nogle teoretiske fysikere er interesserede i grafen af ​​en helt anden grund:Det giver en ny måde at teste deres teorier på.

Når elektroner bevæger sig gennem almindelige metaller, de interagerer med de elektriske felter produceret af gitteret af metalatomer, som skubber og trækker dem på en kompleks måde. Nettoresultatet er, at elektronerne virker, som om de har en masse forskellig fra almindelige elektroners. Så fysikere kalder dette en "effektiv masse" og anser dem for at være kvasipartikler. Når de rejser gennem grafen, fungerer de også som kvasipartikler, men de opfører sig, som om de har en masse på nul. Det viser sig, at grafen kvasipartikler, i modsætning til dem i andre materialer, adlyde reglerne for kvanteelektrodynamik, de samme relativistiske ligninger, som fysikere bruger til at beskrive partiklernes adfærd i sorte huller og højenergipartikelacceleratorer. Som resultat, dette nye materiale kan tillade fysikere at udføre bordpladeeksperimenter, der tester deres teoretiske modeller af nogle af de mest ekstreme miljøer i universet.

Mere information: www.nature.com/nature/journal/ … ull/nature08582.html

Kilde:Vanderbilt University (nyheder:web)