Molekylær grafen varsler en ny æra af designerelektroner

Forskere fra Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory har skabt det første nogensinde system af "designer-elektroner" - eksotiske varianter af almindelige elektroner med justerbare egenskaber, der i sidste ende kan føre til nye typer materialer og enheder.

"Elektronernes adfærd i materialer er kernen i stort set alle nutidens teknologier, " sagde Hari Manoharan, lektor i fysik ved Stanford og medlem af SLAC's Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, der ledede forskningen. "Vi er nu i stand til at tune elektronernes grundlæggende egenskaber, så de opfører sig på måder, som sjældent ses i almindelige materialer."

Deres første eksempler, rapporteret i dag i Natur , var håndlavede, honeycomb-formede strukturer inspireret af grafen, en ren form for kulstof, der er blevet bredt udråbt for sit potentiale i fremtidens elektronik. I første omgang, elektronerne i denne struktur havde grafen-lignende egenskaber; for eksempel, i modsætning til almindelige elektroner, de havde ingen masse og rejste, som om de bevægede sig med lysets hastighed i et vakuum. Men forskere var så i stand til at tune disse elektroner på måder, der er svære at gøre i ægte grafen.

For at lave strukturen, som Manoharan kalder molekylær grafen, forskerne bruger et scanningstunnelmikroskop til at placere individuelle kuliltemolekyler på en perfekt glat kobberoverflade. Kulilte frastøder de fritflydende elektroner på kobberoverfladen og tvinger dem ind i et bikagemønster, hvor de opfører sig som grafenelektroner.

For at afstemme elektronernes egenskaber, forskerne omplacerede kuliltemolekylerne på overfladen; dette ændrede symmetrien af ​​elektronstrømmen. I nogle konfigurationer, elektroner virkede, som om de var blevet udsat for et magnetisk eller elektrisk felt. I andre, forskere var i stand til at finjustere tætheden af ​​elektroner på overfladen ved at indføre defekter eller urenheder. Ved at skrive komplekse mønstre, der efterlignede ændringer i carbon-carbon-bindingslængder og styrker i grafen, forskerne var i stand til at genoprette elektronernes masse i små, udvalgte områder.

"En af de vildeste ting, vi gjorde, var at få elektronerne til at tro, at de er i et enormt magnetfelt, når faktisk, intet reelt felt var blevet anvendt, " sagde Manoharan. Guidet af teorien udviklet af medforfatter Francisco Guinea fra Spanien, Stanford-holdet beregnede de positioner, hvor carbonatomer i grafen skulle være for at få dets elektroner til at tro, at de blev udsat for magnetiske felter fra nul til 60 Tesla, mere end 30 procent højere end det stærkeste kontinuerlige magnetfelt, der nogensinde er opnået på Jorden. Forskerne flyttede derefter kuliltemolekyler for at styre elektronerne ind i netop disse positioner, og elektronerne reagerede ved at opføre sig nøjagtigt som forudsagt – som om de var blevet udsat for et rigtigt felt.

"Vores nye tilgang er en kraftfuld ny testleje for fysik, " sagde Manoharan. "Molekylær grafen er blot den første i en række af mulige designerstrukturer. Vi forventer, at vores forskning i sidste ende vil identificere nye materialer i nanoskala med nyttige elektroniske egenskaber."