Magneter overtrumfer metallisk:Magnetiske felter kan blokere ledningsevnen for kulstofnanorør

Metalliske kulstof nanorør viser stort lovende for applikationer fra mikroelektronik til elledninger på grund af deres ballistiske transmission af elektroner. Men hvem vidste, at magneter kunne stoppe disse elektroner i deres spor?

Risfysiker Junichiro Kono og hans team har studeret Aharonov-Bohm-effekten - samspillet mellem elektrisk ladede partikler og magnetiske felter - og hvordan det relaterer til kulstofnanorør. Mens du gør det, de kom til den uventede konklusion, at magnetiske felter kan gøre stærkt ledende nanorør til halvledere.

Deres resultater offentliggøres online denne måned i Fysiske anmeldelsesbreve .

"Når du anvender et magnetfelt, et båndgab åbner sig, og det bliver en isolator, " sagde Kono, en risprofessor i elektro- og computerteknik og i fysik og astronomi. "Du ændrer en leder til en halvleder, og du kan skifte mellem de to. Så dette eksperiment udforsker både et vigtigt aspekt af resultaterne af Aharonov-Bohm-effekten og de nye magnetiske egenskaber af kulstofnanorør."

Kono, kandidatstuderende Thomas Searles og deres kolleger ved National Institute of Standards and Technology og i Japan målte med succes den magnetiske følsomhed af en række nanorør for første gang; de bekræftede, at metaller er langt mere modtagelige for magnetiske felter end halvledende nanorør, afhængig af feltets orientering og styrke.

Enkeltvæggede nanorør (SWNT'er) - sammenrullede ark af grafen - ville alle se ens ud med det blotte øje, hvis man kunne se dem. Men et nærmere kig afslører, at nanorør kommer i mange former, eller chiraliteter, afhængig af hvordan de rulles. Nogle er halvledende; nogle er stærkt ledende metaller. Guldstandarden for ledningsevne er lænestolens nanorør, såkaldt, fordi de åbne ender danner et mønster, der ligner lænestole.

Ikke en hvilken som helst magnet ville gøre for deres eksperimenter. Kono og Searles rejste til Tsukuba Magnet Laboratory ved National Institute for Materials Science (NIMS) i Japan, hvor verdens næststørste elektromagnet blev brugt til at drille et raffineret ensemble af 10 chiraliteter af SWNT'er, nogle metalliske og nogle halvledende, til at opgive deres hemmeligheder.

Ved at rampe den store magnet op til 35 tesla, de fandt ud af, at nanorørene ville begynde at justere sig parallelt, og at metallerne reagerede langt stærkere end halvlederne. (Til sammenligning, den gennemsnitlige MR-maskine til medicinsk billeddannelse har elektromagneter vurderet til 0,5 til 3 tesla.) Spektroskopisk analyse bekræftede metallerne, især lænestol nanorør, var to til fire gange mere modtagelige for det magnetiske felt end halvledere, og at hver chiralitet reagerede forskelligt.

Nanorørene var alle omkring 0,7 til 0,8 nanometer brede og 500 nanometer lange, så variationer i størrelse var ikke en faktor i resultaterne af Searles. Han tilbragte en uge sidste efterår med at køre eksperimenter på Tsukuba-anlæggets "hybrid, " en superledende magnet med stor boring, der indeholder en vandkølet resistiv magnet.

Kono sagde, at arbejdet ville fortsætte med oprensede partier af nanorør produceret ved ultracentrifugering på Rice. Det burde give mere specifik information om deres modtagelighed over for magnetiske felter, selvom han har mistanke om, at effekten burde være endnu stærkere i længere metallics. "Dette arbejde viser tydeligt, at metalliske rør og halvledende rør er forskellige, men nu hvor vi har metallisk berigede prøver, vi kan sammenligne forskellige chiraliteter inden for den metalliske familie, " han sagde.