Forskere rapporterer en isolator lavet af to ledere

Ohms lov er velkendt fra fysikklassen. Den siger, at modstanden af ​​en leder og spændingen på den bestemmer, hvor meget strøm der vil strømme gennem lederen. Elektronerne i materialet - de negativt ladede bærere - bevæger sig på en uordnet måde og stort set uafhængigt af hinanden. Fysikere finder det langt mere interessant, imidlertid, når ladningsbærerne påvirker hinanden stærkt nok til, at det simple billede ikke længere er korrekt.

Dette er tilfældet, for eksempel, i "Twisted Tolayer Graphene, " som blev opdaget for et par år siden. Det materiale er lavet af to wafertynde grafenlag, der hver består af et enkelt lag kulstofatomer. Hvis to nabolag er let snoet i forhold til hinanden, elektronerne kan påvirkes på en sådan måde, at de interagerer stærkt med hinanden. Som en konsekvens, materialet kan, for eksempel, bliver superledende og leder derfor strøm uden tab.

Et team af forskere ledet af Klaus Ensslin og Thomas Ihn ved Laboratory for Solid State Physics ved ETH Zürich, sammen med kolleger ved University of Texas i Austin (USA), har nu observeret en ny tilstand i snoede dobbeltlag af grafen. I den tilstand, negativt ladede elektroner og positivt ladede såkaldte huller, som mangler elektroner i materialet, er korreleret så stærkt med hinanden, at materialet ikke længere leder elektrisk strøm.

Snoede grafenlag

"I konventionelle eksperimenter, hvor grafenlag er snoet omkring en grad i forhold til hinanden, elektronernes mobilitet påvirkes af kvantemekanisk tunnel mellem lagene, " forklarer Peter Rickhaus, en post-doc og hovedforfatter af undersøgelsen for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskab . "I vores nye eksperiment, derimod vi vrider to dobbeltlag af grafen med mere end to grader i forhold til hinanden, så elektroner i det væsentlige ikke længere kan tunnelere mellem de dobbelte lag."

Øget modstand gennem kobling

Som et resultat af dette, ved at anvende et elektrisk felt, elektroner kan skabes i det ene af de dobbelte lag og huller i det andet. Både elektroner og huller kan lede elektrisk strøm. Derfor, man ville forvente, at de to grafen-dobbeltlag tilsammen danner en endnu bedre leder med en mindre modstand.

Under visse omstændigheder, imidlertid, det stik modsatte kan ske, som Folkert de Vries, en post-doc i Ensslins team, forklarer:"Hvis vi justerer det elektriske felt på en sådan måde, at det har det samme antal elektroner og huller i de dobbelte lag, modstanden stiger pludselig kraftigt." I flere uger var Ensslin og hans samarbejdspartnere ude af stand til at forstå det overraskende resultat, men til sidst gav deres teorikollega Allan H. MacDonald fra Austin dem et afgørende hint:Ifølge MacDonald, de havde observeret en ny slags tæthedsbølge.

Såkaldte ladningstæthedsbølger opstår normalt i endimensionelle ledere, når elektronerne i materialet tilsammen leder elektrisk strøm og også rumligt arrangerer sig i bølger. I forsøget udført af ETH-forskerne, det er nu elektronerne og hullerne, der parrer sig med hinanden ved elektrostatisk tiltrækning og dermed danner en kollektiv tæthedsbølge. Den tæthedsbølge, imidlertid, består nu af elektrisk neutrale elektron-hul-par, så de to dobbeltlag tilsammen ikke længere kan lede elektrisk strøm.

Ny korreleret tilstand

"Det er en helt ny korreleret tilstand af elektroner og huller, som ikke har nogen samlet ladning, " siger Ensslin. "Denne neutrale stat kan, alligevel, overføre information eller lede varme. I øvrigt, Det særlige ved det er, at vi fuldstændigt kan kontrollere det gennem vridningsvinklen og den påførte spænding." Lignende tilstande er blevet observeret i andre materialer, hvor elektron-hul-par (også kendt som excitoner) skabes gennem excitation ved hjælp af laserlys. I eksperimentet på ETH, imidlertid, elektronerne og hullerne er i deres grundtilstand, eller tilstand med lavest energi, hvilket betyder, at deres levetid ikke er begrænset af spontant forfald.

Mulig anvendelse i kvanteteknologier

Ensslin, som har specialiseret sig i undersøgelse af de elektroniske egenskaber af små kvantesystemer, spekulerer allerede i mulige praktiske anvendelser for den nye korrelerede tilstand. Imidlertid, dette vil kræve en del forberedende arbejde. Man kunne fange elektron-hul-parrene, for eksempel i en (Fabry-Pérot) resonator. Det er meget krævende, da neutrale partikler ikke kan kontrolleres direkte, for eksempel ved brug af elektriske felter. Det faktum, at staten er elektrisk neutral, kan på den anden side, vise sig at være en fordel:Det kunne udnyttes til at gøre kvantehukommelser mindre modtagelige for elektrisk feltstøj.