Nye kvantefænomener i grafen-supergitter

Et hold af Graphene Flagship-forskere ledet af University of Manchester rapporterede i tidsskriftet Videnskab viser den første nye type kvanteoscillation, der er blevet rapporteret i tredive år. Dette sker ved at påføre et magnetfelt, og det er det første af sin slags, der er til stede ved høj temperatur og på mesoskalaen. Denne forskning kaster også lys over Hofstadter sommerfugle fænomenet.

Kvanteteori er studiet af fysik på atom- og subatomært niveau. Den kvantiserer energi og momentum og viser, hvordan objekter karakteriseres som både partikler og bølger. Kvantesvingninger kan bruges til at kortlægge nye materialers egenskaber i nærvær af et magnetfelt. Dette papir viser, hvordan det er muligt at tune magnetfeltet på en heterostruktur bestående af grafen og bornitrid for at skabe en lang række forskellige elektroniske materialer.

Supergitteret, skabt i grafen ved dets nøjagtige placering i forhold til et periodisk arrangeret bornitridlag, interagerer med magnetfeltet på en sådan måde, at det er muligt at tune dets oscillation til at fremstille bånd og huller i dets elektronikstruktur - hvilket betyder, at magnetfeltet kan bruges til at tune materialerne til at være metalliske, halvledende eller ledende.

Andre Geim, et ledende medlem af holdet og 2010 Nobelpristageren, siger "Oscillerende kvanteeffekter udgør altid milepæle i vores forståelse af materialeegenskaber. De er yderst sjældne. Det er mere end 30 år siden, der blev rapporteret om en ny type kvanteoscillation." Han tilføjede "Vores svingninger skiller sig ud ved deres ekstreme robusthed, sker under omgivende forhold i let tilgængelige magnetiske felter."

Dette arbejde kaster også yderligere lys over Hofstadters sommerfugl, et fraktalt mønster, der beskriver elektronernes adfærd i et magnetfelt, målt eksperimentelt for første gang i 2013 ved hjælp af en grafen- og bornitrid-heterostruktur. I det originale teoretiske arbejde, som Hofstadters sommerfugl er baseret på, blev elektronerne modelleret til at skabe fraktalmønsteret behandlet som Bloch-elektroner (elektroner, der ikke interagerer med hinanden og bevæger sig inden for et periodisk elektrisk potentiale inden for et gitter). Forskningen vist her illustrerer, hvordan disse komplekse fraktale mønstre kan ses som Langmuir-kvantisering, som er kvantiseringen af ​​cyklotronbaner (ved at tage det, der normalt opfattes som en cirkulær bane og i stedet betragte det som lineært)

Professor Vladimir Falko, Direktør for National Graphene Institute kommenterede "Vores arbejde hjælper med at afmystificere Hofstadter-sommerfuglen. Den komplekse fraktale struktur af Hofstadter-sommerfuglespektret kan forstås som simpel Landau-kvantisering i sekvensen af ​​nye metaller skabt af magnetfelt."

Professor Bart van Wees, Leder af Physics of Nanodevices-gruppen ved Zernike Institute for Advanced Materials, Groningen, Holland tilføjede "Vi har altid betragtet kvanteoscillationer som meget skrøbelige, let ødelægges ved højere temperaturer, men forfatterne har vist, at disse nu kan observeres ved stuetemperatur, eller endnu højere. Dette er gode nyheder for mulige nye anvendelser af disse og andre systemer, som er baseret på Van der Waals stabling af todimensionelle materialer."