Forskere demonstrerer størrelseskvantisering af Dirac-fermioner i grafen

Kvantemekanik er fysikkens felt, der styrer tingenes opførsel på atomare skalaer, hvor tingene fungerer meget anderledes end vores hverdag.

En af de mest direkte manifestationer af kvantemekanikken er kvantisering. Kvantisering resulterer i den diskrete karakter af fysiske egenskaber i små skalaer, som kunne være radius af en atombane eller modstanden af ​​en molekylær ledning. Den mest berømte, som vandt Albert Einstein Nobelprisen, er kvantiseringen af ​​fotonenergien i den fotoelektriske effekt - observationen af, at mange metaller udsender elektroner, når lys skinner på dem.

Kvantisering opstår, når en kvantepartikel er begrænset til et lille rum. Dens bølgefunktion udvikler et stående bølgemønster, som bølger i en lille vandpyt. Fysikere taler så om størrelseskvantisering:partiklens energi må kun tage de værdier, hvor den stående bølges knudemønster matcher systemgrænsen.

En slående konsekvens af størrelseskvantisering er kvantiseret konduktans:antallet af partikler, der samtidigt kan krydse en smal korridor, en såkaldt nanokonstriktion, blive diskret. Som et resultat er strømmen gennem en sådan indsnævring et heltal af konduktansens kvantum.

I et nyligt fælles eksperimentelt og teoretisk arbejde, en international gruppe af fysikere demonstrerede størrelseskvantisering af ladningsbærere, kvantiseret konduktans i nanoskalaprøver af grafen. Resultaterne er blevet publiceret i en artikel kaldet "Size quantization of Dirac fermions in graphene constrictions" i Naturkommunikation .

Materialet grafen af ​​høj kvalitet, et enkeltatomart kulstoflag, indlejret i sekskantet bornitrid viser usædvanlig fysik på grund af den sekskantede - eller honningkam - symmetri af dets gitter. Imidlertid, observation af størrelseskvantisering af ladningsbærere i grafen nanokonstriktioner har, indtil nu, viste sig at være uhåndgribelig på grund af elektronbølgens høje følsomhed over for uorden.

Forskerne demonstrerede kvantiseringseffekter ved meget lave temperaturer (flydende helium), hvor påvirkningen af ​​termisk lidelse ophører. Denne nye tilgang - med indkapsling af grafenforsnævringer mellem lag af bornitrid - muliggjorde exceptionelt rene prøver, og dermed meget nøjagtige målinger.

Ved nul magnetfelt, den målte strøm viser klare signaturer af størrelseskvantisering, nøje følge teoretiske forudsigelser. For at øge magnetfeltet, disse strukturer udvikler sig gradvist til Landau-niveauerne af kvante Hall-effekten.

"Den høje følsomhed af denne overgang til spredning ved indsnævringskanterne afslører uundværlige detaljer om kantens sprednings rolle i fremtidige grafen nanoelektroniske enheder, " sagde Slava V. Rotkin, professor i fysik og materialevidenskab og teknik ved Lehigh University og medforfatter til undersøgelsen.