Forskere skaber kraftige pseudomagnetiske felter i grafen

Forskere fra University of Maryland (UMD) har gjort en banebrydende opdagelse inden for grafenforskning, der kan give et testleje til at forstå, hvordan elektroner bevæger sig i ekstremt høje magnetfelter. Siden opdagelsen i 2004, grafen er blevet en berømthed inden for materialevidenskab og fysik på grund af dets bemærkelsesværdige fysiske egenskaber.

Et af de tyndeste og stærkeste materialer, der nogensinde er lavet på jorden med en utrolig ledningsevne, grafen er hurtigt blevet et af de mest alsidige materialer, der er opdaget. Grafen-relateret forskning giver i øjeblikket næring til potentielt revolutionerende nye applikationer inden for alt fra hurtigere elektronik, bærbar teknologi og smart tøj til bedre energilagring, sensorer og medicinsk udstyr. Og nu, mekaniske ingeniører ved UMD kan have fundet en måde at gøre den endnu mere kraftfuld.

Kandidatstuderende Shuze Zhu og lektor Teng Li (eksternt link), sammen med National Institute of Standards and Technology (NIST) samarbejdspartner Joseph Stroscio, har udviklet en teoretisk model, der demonstrerer, hvordan man former og strækker grafen for at skabe en kraftfuld, justerbar og vedvarende magnetisk kraft.

Når det strækkes, eller anstrengt, graphens elektroner opfører sig, som om de er i et stærkt magnetfelt. Denne såkaldte pseudomagnetiske effekt kunne åbne op for nye muligheder inden for grafenelektronik, men indtil videre, forskere har kun været i stand til at fremkalde sådanne pseudofelter, der har været stærkt lokaliserede og har brug for særegne belastningsforhold, som er uoverkommelige at realisere i praksis. Imidlertid, Maryland-forskere kan have forklaret, hvordan man former et grafenbånd, så blot at trække i dets to ender producerer et ensartet pseudomagnetisk felt. Og med de nuværende nanofabrikationsteknologier, teamet er overbevist om, at de snart vil være i stand til at omstille deres teoretiske model til en designvirkelighed.

"Vores resultater afslører en let, men effektiv løsning til at opnå ekstremt højt pseudomagnetisk felt i en plan grafen ved en simpel strækning, " sagde forskningsleder lektor Teng Li.

I 2010 forskere opdagede ved et uheld, at når man håndterede et todimensionalt gitter af grafen, en lille trekantet, bobleform skabt i materialet forårsagede et pseudomagnetisk felt i den lille boble så højt som 300 Tesla - langt ud over, hvad der kan opnås med stabile laboratoriemagneter. Den nuværende rekord for et laboratorieproduceret magnetfelt er kun 85 tesla for mindre end en lille brøkdel af et sekund.

Selvom det virker simpelt nok at strække et materiale i to retninger - som at trække i enderne af et gummibånd - opdagede holdet, at grafenarket ikke kun skulle strækkes, men at arket også skal formes på en bestemt måde. Et simpelt rektangel eller kvadrat af grafen, når strakt, ville ikke skabe et pseudomagnetisk felt.

Men når grafenen blev formet til en tilspidset form som en trapez eller vimpel, at trække i enderne producerer en belastning, der støt øges langs længden af ​​båndet, og denne konstante belastningsgradient giver en ensartet, og kontrollerbar, pseudomagnetisk felt. Og jo mere belastning der påføres materialet, jo større er den magnetiske kraft. Holdets model, som blev verificeret på tværs af tre beregningsmodeller, forudsiger en tunbar feltstørrelse fra nul til 200 Tesla.

Denne type kontrolleret pseudomagnetisk felt skaber potentialet for nye måder at studere elektronernes bevægelse i et kontrollerbart højt magnetfelt. I øjeblikket, der er ingen bæredygtig metode til at generere magnetiske felter af denne størrelsesorden. De inducerede felter – hvis de gøres mere rumligt ensartede – kunne potentielt muliggøre nye koncepter inden for elektronik, såsom "valleytronics, " hvor elektroner adskilles mellem forskellige dale i grafenbåndstrukturen.