Forskere opdager usædvanlige kvasipartikler i trelags grafen

(PhysOrg.com) -- Ved at studere tre lag grafen -- plader af carbonatomer med honeycomb-array -- stablet på en bestemt måde, forskere ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har opdaget et "lille univers" befolket af en ny slags "kvasipartikler" - partikellignende excitationer af elektrisk ladning. I modsætning til masseløse fotonlignende kvasipartikler i enkeltlagsgrafen, disse nye kvasipartikler har masse, som afhænger af deres energi (eller hastighed), og ville blive uendeligt massiv i hvile.

Den akkumulering af masse ved lave energier betyder dette trelags grafensystem, hvis magnetiseret ved at inkorporere det i en heterostruktur med magnetisk materiale, potentielt kunne generere en meget større tæthed af spin-polariserede ladningsbærere end enkeltlagsgrafen - hvilket gør det meget attraktivt for en ny klasse af enheder baseret på at kontrollere ikke bare elektrisk ladning, men også spin, almindeligvis kendt som spintronics.

"Vores forskning viser, at disse meget usædvanlige kvasipartikler, forudsagt af teori, eksisterer faktisk i tre-lags grafen, og at de styrer egenskaber såsom hvordan materialet opfører sig i et magnetfelt - en egenskab der kunne bruges til at styre grafenbaserede elektroniske enheder, " sagde Brookhaven-fysiker Igor Zaliznyak, der ledede forskerholdet. Deres arbejde med at måle egenskaber af trelags grafen som et første skridt mod konstruktion af sådanne enheder blev offentliggjort online i Naturfysik den 25. september, 2011.

Grafen har været genstand for intens forskning siden opdagelsen i 2004, især på grund af dens elektroners usædvanlige opførsel, som flyder frit henover flade, enkeltlags ark af stoffet. Stabling af lag ændrer den måde, elektroner flyder på:Stabling af to lag, for eksempel, giver et "afstembart" brud i de energiniveauer, elektronerne kan optage, dermed give forskerne en måde at tænde og slukke for strømmen. Det åbner mulighed for at inkorporere det billige stof i nye typer elektronik.

Med tre lag, situationen bliver mere kompliceret, videnskabsmænd har fundet, men også potentielt stærkere.

En vigtig variabel er den måde, lagene er stablet på:I "ABA"-systemer, carbonatomerne, der udgør bikageringene, er direkte på linje i det øverste og nederste lag (A), mens dem i det midterste lag (B) er forskudt; i "ABC" varianter, honningkager i hvert stablet lag er forskudt, at træde opad lag for lag som en trappe. Indtil nu, ABC-stabling ser ud til at give anledning til mere interessant adfærd - såsom dem, der er genstand for den aktuelle undersøgelse.

Til denne undersøgelse, forskerne skabte trelagsgrafen ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) ved Brookhaven Lab, skrælle det fra grafit, den form for kulstof, der findes i blyantbly. De brugte mikroRaman-mikroskopi til at kortlægge prøverne og identificere dem med tre lag stablet i ABC-arrangementet. Så brugte de CFNs nanolitografiværktøjer, inklusive ion-stråle fræsning, at forme prøverne på en bestemt måde, så de kunne forbindes til elektroder til målinger.

På National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) i Tallahassee, Florida, forskerne undersøgte derefter materialets elektroniske egenskaber - specifikt effekten af ​​et eksternt magnetfelt på transporten af ​​elektronisk ladning som funktion af ladningsbærerens tæthed, magnetisk feltstyrke, og temperatur.

"I sidste ende, succesen med dette projekt var afhængig af hårdt arbejde og sjælden eksperimentel dygtighed fra talentfulde unge forskere, som vi engagerede os i disse undersøgelser, i særdeleshed, Liyuan Zhang, som på det tidspunkt var forskningsassistent ved Brookhaven, og Yan Zhang, derefter en kandidatstuderende fra Stony Brook University, ” sagde Igor Zaliznyak.

Målingerne giver det første eksperimentelle bevis for eksistensen af ​​en bestemt type kvasipartikel, eller elektronisk excitation, der fungerer som en partikel og fungerer som en ladningsbærer i trelags grafensystemet. Disse særlige kvasipartikler, som blev forudsagt af teoretiske undersøgelser, have dårligt defineret masse - dvs. de opfører sig, som om de har en række masser - og disse masser divergerer, efterhånden som energiniveauet falder med kvasipartikler, der bliver uendeligt massive.

Normalt ville sådanne partikler være ustabile og kunne ikke eksistere på grund af interaktioner med virtuelle partikel-hul-par - svarende til virtuelle par af modsat ladede elektroner og positroner, som tilintetgør, når de interagerer. Men en egenskab ved kvasipartiklerne kaldet chiralitet, som er relateret til en speciel smag af spin i grafensystemer, forhindrer kvasipartiklerne i at blive ødelagt af disse interaktioner. Så disse eksotiske infinitivt massive partikler kan eksistere.

"Disse resultater giver eksperimentel validering af den store mængde nyere teoretiske arbejde med grafen, og afdække nye spændende muligheder for fremtidige undersøgelser rettet mod at bruge disse kvasipartiklers eksotiske egenskaber, " sagde Zaliznyak.

For eksempel, at kombinere magnetiske materialer med trelags grafen kunne justere spindene af ladningsbærerens kvasipartikler. "Vi tror, ​​at sådanne grafen-magnet-heterostrukturer med spin-polariserede ladningsbærere kan føre til reelle gennembrud inden for spintronik, " sagde Zaliznyak.