Uventede kvanteeffekter i naturligt dobbeltlagsgrafen

Et internationalt forskerhold ledet af University of Göttingen har opdaget nye kvanteeffekter i højpræcisionsundersøgelser af naturligt dobbeltlagsgrafen og har fortolket dem sammen med University of Texas i Dallas ved hjælp af deres teoretiske arbejde. Denne forskning giver ny indsigt i samspillet mellem ladningsbærerne og de forskellige faser og bidrager til forståelsen af ​​de involverede processer. LMU i München og National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, var også involveret i forskningen. Resultaterne blev offentliggjort i Nature .

Det nye materiale grafen, et tyndt lag af kulstofatomer, blev først opdaget af et britisk forskerhold i 2004. Blandt andre usædvanlige egenskaber er grafen kendt for sin ekstraordinært høje elektriske ledningsevne. Hvis to individuelle grafenlag snoes i en meget specifik vinkel i forhold til hinanden, bliver systemet endda superledende (dvs. leder elektricitet uden nogen modstand) og udviser andre spændende kvanteeffekter såsom magnetisme. Fremstillingen af ​​sådanne snoede grafen-dobbeltlag har dog hidtil krævet øget teknisk indsats.

Denne nye undersøgelse brugte den naturligt forekommende form af dobbeltlagsgrafen, hvor ingen kompleks fremstilling er påkrævet. I et første trin isoleres prøven fra et stykke grafit i laboratoriet ved hjælp af en simpel klæbende tape. For at observere kvantemekaniske effekter anvendte Göttingen-teamet derefter et højt elektrisk felt vinkelret på prøven:Systemets elektroniske struktur ændres, og der opstår en stærk ophobning af ladningsbærere med lignende energi.

Ved temperaturer lige over det absolutte nulpunkt på minus 273,15 grader Celsius kan elektronerne i grafenen interagere med hinanden - og en række komplekse kvantefaser dukker helt uventet op. For eksempel får vekselvirkningerne elektronernes spins til at justere, hvilket gør materialet magnetisk uden yderligere ekstern påvirkning. Ved at ændre det elektriske felt kan forskere løbende ændre styrken af ​​ladningsbærernes interaktioner i dobbeltlagsgrafen. Under specifikke forhold kan elektronerne være så begrænset i deres bevægelsesfrihed, at de danner deres eget elektrongitter og ikke længere kan bidrage til at transportere ladning på grund af deres gensidige frastødende vekselvirkning. Systemet er så elektrisk isolerende.

"Fremtidig forskning kan nu fokusere på at undersøge yderligere kvantetilstande," siger professor Thomas Weitz og ph.d. studerende Anna Seiler, Det Fysiske Fakultet ved Göttingen Universitet. "For at få adgang til andre applikationer, for eksempel nye computersystemer såsom kvantecomputere, ville forskere skulle finde ud af, hvordan disse resultater kunne opnås ved højere temperaturer. En stor fordel ved det nuværende system, der er udviklet i vores nye forskning, ligger imidlertid i enkelhed i fremstillingen af ​​materialerne." + Udforsk yderligere

Ny kvanteeffekt opdaget i naturligt forekommende grafen