Grafen opgiver flere af sine hemmeligheder

grafen, et ark kulstof kun et enkelt atom tykt, var genstand for teoretisk spekulation længe før den faktisk blev lavet. Teori forudsiger ekstraordinære egenskaber for grafen, men at teste forudsigelserne mod eksperimentelle resultater er ofte udfordrende.

Nu har forskere, der bruger Advanced Light Source (ALS) ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) taget et vigtigt skridt i retning af at bekræfte, at grafen er lige så usædvanligt som forventet - måske endnu mere.

"Graphene er ikke en halvleder, ikke en isolator, og ikke et metal, " siger David Siegel, hovedforfatteren af ​​et papir i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) rapporterer forskerholdets resultater. "Det er en speciel slags semimetal, med elektroniske egenskaber, der er endnu mere interessante, end man kunne ane ved første øjekast."

Siegel er kandidatstuderende i Berkeley Labs Materials Sciences Division (MSD) og medlem af Alessandra Lanzaras gruppe i Institut for Fysik ved University of California i Berkeley. Han og hans kolleger brugte ALS beamline 12.0.1 til at sondere en specielt forberedt prøve af grafen med ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) for at observere, hvordan udopet grafen – det iboende materiale uden ekstra ladningsbærere – opfører sig nær den såkaldte "Dirac point."

Dirac-punktet er et unikt træk ved grafens båndstruktur. I modsætning til båndstrukturen af ​​halvledere, for eksempel, grafen har intet båndgab - intet mellemrum i energi mellem det elektronfyldte valensbånd og det ledige ledningsbånd. I grafen er disse bånd repræsenteret af to kegler ("Dirac-kegler"), hvis punkter rører hinanden, krydser lineært ved Dirac-punktet. Når valensbåndet af grafen er helt fyldt og ledningsbåndet er helt tomt, grafen kan betragtes som "udopet" eller "ladningsneutral, " og det er her, at nogle af de interessante egenskaber ved grafen kan observeres.

Et ARPES-eksperiment måler pænt et snit gennem keglerne ved direkte at plotte den kinetiske energi og vinkel af elektroner, der flyver ud af grafenprøven, når de exciteres af en røntgenstråle fra ALS. Et spektrum udvikler sig, når disse udsendte elektroner rammer detektorskærmen, gradvist at opbygge et billede af keglen.

Den måde elektronerne interagerer på i udopet grafen er markant anderledes end i et metal:siderne af keglen (eller benene på X, i et ARPES-spektrum) udvikler en tydelig indadgående krumning, hvilket indikerer, at elektroniske interaktioner finder sted på stadig længere rækkevidde - afstande på op til 790 ångstrøm fra hinanden - og fører til større elektronhastigheder. Disse er usædvanlige manifestationer, aldrig set før, af et udbredt fænomen kaldet "renormalisering".

Eksperiment kontra teori

For at forstå betydningen af ​​holdets resultater, det hjælper at starte med deres forsøgsopstilling. Ideelt set målinger af udopet grafen ville blive udført med et ophængt ark fritstående grafen. Men mange eksperimenter kan ikke udføres, medmindre målet hviler på et fast underlag, som kan påvirke lagets elektroniske egenskaber på overfladen og forstyrre eksperimentet.

Så Siegel og hans kolleger besluttede at undersøge en særlig slags "kvasi-fritstående" grafen, begyndende med et substrat af siliciumcarbid. Ved opvarmning, siliciumet drives ud af siliciumcarbidet og kulstof samler sig på overfladen som et relativt tykt lag grafit (den slags kulstof i blyantbly). Men tilstødende lag af grafen i den tykke grafitprøve roteres i forhold til hinanden, så hvert lag i stakken opfører sig som et enkelt isoleret lag.

"I faststoffysik er et af de mest fundamentale spørgsmål, man kan stille om et materiale, arten af ​​dets ladningsbærere, " siger Siegel. "For almindelige metaller, svaret kan beskrives af den mest kraftfulde teori om faste stoffer, kendt som Landaus Fermi-væske teori, " efter den sovjetiske fysiker Lev Landau og den italienske og naturaliserede-amerikanske fysiker Enrico Fermi.

Mens individuelle elektroner bærer ladning - den elektriske strøm i en kobbertråd, for eksempel – selv i et metal kan de ikke helt forstås så simple, uafhængige partikler. Fordi de konstant interagerer med andre partikler, virkningerne af interaktionerne skal inkluderes; elektroner og interaktioner sammen kan opfattes som "kvasipartikler, " som opfører sig meget som frie elektroner, men med forskellige masser og hastigheder. Disse forskelle er afledt gennem den matematiske proces kaldet renormalisering.

Landaus Fermi-væske består af kvasipartikler. Udover at beskrive træk ved elektroner plus interaktioner, Fermi væsker har en række andre karakteristiske egenskaber, og i de fleste materialer antager teorien generelt den samme form. Det gælder, at ladningsbærere er "klædt på" af mange-kropsinteraktioner, som også tjener til at screene elektroner og forhindre eller reducere deres interaktioner over længere afstande.

"Da egenskaberne af så mange materialer er stort set de samme på en generaliseret måde, fysikere er altid interesserede i at finde systemer, der adskiller sig fra en normal Fermi-væske, " siger Siegel. "Det er det, der gør vores resultater så spændende. Udopet grafen adskiller sig virkelig fra, hvad vi forventer af en normal Fermi-væske, og vores resultater stemmer godt overens med teoretiske beregninger."

Måske det mest levende eksempel på forskellen er langrækkende interaktion mellem elektroner i semimetallisk grafen, interaktioner, som ville blive screenet i et normalt metal. Siegel indrømmer, at der kan være fortsat kontrovers om, hvordan grafen præcist skal forventes at opføre sig, "men vores hovedresultat er, at vi har bekræftet tilstedeværelsen af ​​disse uscreenede, langsigtede interaktioner, som ændrer adfærden af ​​kvasipartikler i grafen på en fundamental måde."