Måling af massen af ​​elektroner uden masse

(Phys.org) - Individuelle elektroner i grafen er masseløse, men når de flytter sammen, det er en anden historie. Graphene, et et-atom-tykt carbonark, har taget fysikens verden med storm - til dels fordi dets elektroner opfører sig som masseløse partikler. Alligevel synes disse elektroner at have to personligheder. Fænomener observeret inden for grafenplasmonik tyder på, at når elektronerne bevæger sig kollektivt, de skal udvise masse.

Efter to års indsats, forskere ledet af Donhee Ham, Gordon McKay professor i elektroteknik og anvendt fysik ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), og hans elev Hosang Yoon, Ph.D.'14, har med succes målt den kollektive masse af 'masseløse' elektroner i bevægelse i grafen.

Ved at kaste lys over de grundlæggende kinetiske egenskaber af elektroner i grafen, denne forskning kan også danne grundlag for oprettelsen af ​​miniaturiserede kredsløb med små, grafenbaserede komponenter.

Resultaterne af Ham og Yoons komplekse målinger, udført i samarbejde med andre eksperter ved Columbia University og National Institute for Materials Science i Japan, er blevet offentliggjort online i Naturnanoteknologi .

"Graphene er et unikt materiale, fordi, effektivt, enkelte grafenelektroner virker som om de ikke har nogen masse. Det betyder, at de enkelte elektroner altid bevæger sig med en konstant hastighed, "forklarer Ham." Men antag, at vi anvender en kraft, som et elektrisk felt. Hastigheden af ​​de enkelte elektroner forbliver stadig konstant, men samlet set de accelererer, og deres samlede energi stiger - ligesom enheder med masse. Det er ret interessant. "

Uden denne masse, feltet af grafenplasmonik kan ikke fungere, så Hams team vidste, at det skulle være der - men indtil nu, ingen havde målt det nøjagtigt.

"Et af de største bidrag til dette arbejde er, at det faktisk er en ekstremt vanskelig måling, «siger Ham.

Som Newtons anden lov dikterer, en kraft påført en masse skal generere acceleration. Yoon og Ham vidste, at hvis de kunne anvende et elektrisk felt på en grafenprøve og måle elektronernes resulterende kollektive acceleration, de kunne derefter bruge disse data til at beregne den kollektive masse.

Men de grafenprøver, der blev brugt i tidligere forsøg, var fyldt med ufuldkommenheder og urenheder - steder, hvor et carbonatom manglede eller var blevet erstattet af noget andet. I de tidligere forsøg, elektroner ville accelerere, men meget hurtigt spredes, da de kolliderede med urenheder og ufuldkommenheder.

"Spredningstiden var så kort i disse undersøgelser, at du aldrig kunne se accelerationen direkte, «siger Ham.

For at overvinde spredningsproblemet, flere smarte ændringer var nødvendige.

Først, Ham og Yoon gik sammen med Philip Kim, en fysikprofessor i Columbia, der tiltræder Harvard -fakultetet den 1. juli som professor i fysik og anvendt fysik. Harvard -kandidat (Ph.D. '99), Kim er kendt for sine banebrydende grundlæggende undersøgelser af grafen og sin ekspertise i fremstilling af grafenprøver af høj kvalitet. Holdet var nu i stand til at reducere antallet af urenheder og ufuldkommenheder ved at lægge grafen mellem lag af sekskantet bornitrid, et isolerende materiale med en lignende atomstruktur. Ved også at samarbejde med James Hone, professor i maskinteknik ved Columbia, de designede en bedre måde at forbinde elektriske signalledninger til den indgravede grafen. Og Yoon og Ham anvendte et elektrisk felt ved en mikrobølge -frekvens, som giver mulighed for direkte måling af elektronernes kollektive acceleration i form af en faseforsinkelse i strømmen.

"Ved at gøre alt dette, vi oversatte situationen fra helt umulig til at være på nippet til enten at se accelerationen eller ej, "siger Ham." Dog, vanskeligheden var stadig meget skræmmende, og Hosang [Yoon] gjorde det hele muligt ved at udføre meget fine og subtile mikrobølgeteknikker og målinger - et formidabelt stykke eksperimentering. "

"Til mig, det var et sejrrige øjeblik, der endelig berettigede en langsigtet indsats, gennemgå flere forsøg og fejl, "siger Yoon, hovedforfatter af papiret i Naturnanoteknologi . "Indtil da, Jeg var ikke engang sikker på, om eksperimentet virkelig ville være muligt, så det var som et 'gennem mørket kommer lys' -øjeblik. "

Kollektiv masse er et centralt aspekt ved forklaring af plasmonisk adfærd i grafen. Ved at demonstrere, at grafenelektroner udviser en kollektiv masse og ved at måle dens værdi nøjagtigt, Yoon siger, "Vi tror, ​​det vil hjælpe folk med at forstå og designe mere sofistikerede plasmoniske enheder med grafen."

Teamets eksperimenter afslørede også, at i grafen, kinetisk induktans (den elektriske manifestation af kollektiv masse) er flere størrelsesordener større end en anden, langt mere almindeligt udnyttet ejendom kaldet magnetisk induktans. Dette er vigtigt i skubbet mod mindre og mindre elektroniske kredsløb - hovedtemaet for moderne integrerede kredsløb - fordi det betyder, at det samme induktansniveau kan opnås i et langt mindre område. Desuden, Ham og Yoon siger, at denne miniaturegrafenbaserede kinetiske induktor kunne muliggøre oprettelsen af ​​en spændingsstyret induktor i fast tilstand, komplementær til den meget udbredte spændingsstyrede kondensator. Det kunne bruges til væsentligt at øge frekvensindstillingsområdet for elektroniske kredsløb, hvilket er en vigtig funktion i kommunikationsapplikationer.

For nu, udfordringen er stadig at forbedre kvaliteten af ​​grafenprøver, så de skadelige virkninger af elektronspredning yderligere kan reduceres.