Forskere opdager en ny familie af kvasipartikler i grafenbaserede materialer

En gruppe forskere ledet af Sir Andre Geim og Dr. Alexey Berdyugin ved University of Manchester har opdaget og karakteriseret en ny familie af kvasipartikler ved navn 'Brown-Zak fermioner' i grafenbaserede supergitter.

Holdet opnåede dette gennembrud ved at justere atomgitteret af et grafenlag til det af en isolerende bornitridplade, dramatisk ændring af egenskaberne af grafenarket.

Undersøgelsen følger flere år med successive fremskridt inden for grafen-bornitrid-supergitter, som gjorde det muligt at observere et fraktalt mønster kendt som Hofstadters sommerfugl - og i dag (fredag, 13. november) rapporterer forskerne om en anden meget overraskende opførsel af partikler i sådanne strukturer under påført magnetfelt.

"Det er velkendt, at i nul magnetfelt, elektroner bevæger sig i lige baner, og hvis du anvender et magnetfelt begynder de at bøje og bevæge sig i cirkler", forklare Julien Barrier og Dr. Piranavan Kumaravadivel, som udførte forsøgsarbejdet.

"I et grafenlag, som er blevet justeret med bornitrid, elektroner begynder også at bøje - men hvis du indstiller magnetfeltet til bestemte værdier, elektronerne bevæger sig i lige linjer igen, som om der ikke er noget magnetfelt mere!"

"Sådan adfærd er radikalt forskellig fra lærebogsfysik." tilføjer Dr. Piranavan Kumaravadivel.

"Vi tilskriver denne fascinerende adfærd til dannelsen af ​​nye kvasipartikler ved højt magnetfelt, " siger Dr. Alexey Berdyugin. "Disse kvasipartikler har deres egne unikke egenskaber og usædvanlig høj mobilitet på trods af det ekstremt høje magnetfelt."

Som offentliggjort i Naturkommunikation , værket beskriver, hvordan elektroner opfører sig i et supergitter af ultrahøj kvalitet af grafen med en revideret ramme for de fraktale træk ved Hofstadters sommerfugl. Grundlæggende forbedringer i fremstilling af grafenanordninger og måleteknikker i det sidste årti har gjort dette arbejde muligt.

"Begrebet kvasipartikler er uden tvivl et af de vigtigste inden for kondenseret stofs fysik og kvante-mange-legeme-systemer. Det blev introduceret af den teoretiske fysiker Lev Landau i 1940'erne for at skildre kollektive effekter som en 'én partikel excitation', " forklarer Julien Barrier "De bruges i en række komplekse systemer til at tage højde for effekter på mange krop."

Indtil nu, opførsel af kollektive elektroner i grafen supergitter blev tænkt i form af Dirac fermion, en kvasipartikel, der har unikke egenskaber, der ligner fotoner (partikler uden masse), der replikeres ved høje magnetfelter. Imidlertid, dette tog ikke højde for nogle eksperimentelle funktioner, ligesom staternes yderligere degeneration, det matchede heller ikke kvasipartikelens endelige masse i denne tilstand.

Forfatterne foreslår, at 'Brown-Zak-fermioner' er familien af ​​kvasipartikler, der findes i supergitter under højt magnetfelt. Dette er karakteriseret ved et nyt kvantetal, der direkte kan måles. Interessant nok, arbejde ved lavere temperaturer gjorde det muligt for dem at løfte degenerationen med udvekslingsinteraktioner ved ultralave temperaturer.

"Under tilstedeværelsen af ​​et magnetfelt, elektroner i grafen begynder at rotere med kvantiserede baner. Til Brown-Zak fermioner, vi formåede at genoprette en lige bane på titusvis af mikrometer under høje magnetiske felter op til 16T (500, 000 gange jordens magnetfelt). Under særlige forhold, de ballistiske kvasipartikler føler intet effektivt magnetfelt, " forklarer Dr. Kumaravadivel og Dr. Berdyugin.

I et elektronisk system, mobiliteten er defineret som kapaciteten for en partikel til at rejse ved påføring af en elektrisk strøm. Høj mobilitet har længe været den hellige gral ved fremstilling af 2D-systemer såsom grafen, fordi sådanne materialer ville have yderligere egenskaber (heltals- og fraktioneret kvantehal-effekter), og potentielt tillade skabelsen af ​​ultrahøjfrekvente transistorer, komponenterne i hjertet af en computerprocessor.

"Til denne undersøgelse forberedte vi grafenenheder, der er ekstra store med et meget højt renhedsniveau". siger Dr. Kumaravadivel. Dette gjorde det muligt for os at opnå mobiliteter på adskillige millioner cm²/Vs, hvilket betyder, at partikler ville bevæge sig lige hen over hele enheden uden at blive spredt. Vigtigt, dette var ikke kun tilfældet for klassiske Dirac-fermioner i grafen, men også realiseret for de Brown-Zak-fermioner, der er rapporteret i arbejdet.

Disse Brown-Zak fermioner definerer nye metalliske tilstande, som er generiske for ethvert supergittersystem, ikke kun grafen og tilbyder en legeplads for nye fysiske problemer med kondenseret stof i andre 2-D materialebaserede supergitter.

Julien Barrier tilføjede "Resultaterne er vigtige, selvfølgelig til grundlæggende studier i elektrontransport, men vi mener, at forståelse af kvasipartikler i nye supergitter-enheder under høje magnetiske felter kan føre til udviklingen af ​​nye elektroniske enheder."

Den høje mobilitet betyder, at en transistor lavet af en sådan enhed kan fungere ved højere frekvenser, at tillade en processor lavet af dette materiale at udføre flere beregninger pr. tidsenhed, hvilket resulterer i en hurtigere computer. Anvendelse af et magnetfelt vil normalt nedskalere mobiliteten og gøre en sådan enhed ubrugelig til visse applikationer. Brown-Zak-fermioners høje mobilitet ved høje magnetiske felter åbner et nyt perspektiv for elektroniske enheder, der fungerer under ekstreme forhold.