Kvanteelektronik:Ladning bevæger sig som lys i tolagsgrafen

Et internationalt forskerhold ledet af universitetet i Göttingen har påvist eksperimentelt, at elektroner i naturligt forekommende dobbeltlagsgrafen bevæger sig som partikler uden nogen masse, på samme måde som lyset bevæger sig. Desuden har de vist, at strømmen kan "tændes" og slukkes, hvilket har potentiale til at udvikle små, energieffektive transistorer - som lyskontakten i dit hus, men på nanoskala.

Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA, og National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, var også involveret i forskningen. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Communications .

Grafen blev identificeret i 2004 og er et enkelt lag af kulstofatomer. Blandt dets mange usædvanlige egenskaber er grafen kendt for sin ekstraordinært høje elektriske ledningsevne på grund af den høje og konstante hastighed af elektroner, der rejser gennem dette materiale. Denne unikke egenskab har fået forskere til at drømme om at bruge grafen til meget hurtigere og mere energieffektive transistorer.

Udfordringen har været, at for at lave en transistor skal materialet kontrolleres for at have en meget isolerende tilstand ud over dets stærkt ledende tilstand. I grafen kan en sådan "switch" i hastigheden af ​​bæreren dog ikke nemt opnås. Faktisk har grafen normalt ingen isolerende tilstand, hvilket har begrænset grafens potentiale for en transistor.

Göttingen University-teamet har nu fundet ud af, at to grafenlag, som findes i den naturligt forekommende form af dobbeltlagsgrafen, kombinerer det bedste fra begge verdener:en struktur, der understøtter den utrolig hurtige bevægelse af elektroner, der bevæger sig som lys, som om de ikke havde nogen masse, foruden en isolerende tilstand. Forskerne viste, at denne tilstand kan ændres ved at anvende et elektrisk felt påført vinkelret på materialet, hvilket gør det dobbeltlagsgrafen isolerende.

Denne egenskab ved hurtigt-bevægende elektroner var blevet teoretisk forudsagt så tidligt som i 2009, men det krævede en væsentligt forbedret prøvekvalitet, som muliggjorde mine materialer leveret af NIMS og tæt samarbejde om teori med MIT, før det var muligt at identificere dette eksperimentelt. Mens disse eksperimenter blev udført ved kryogene temperaturer - omkring 273° under frysepunktet - viser de potentialet af dobbeltlagsgrafen til at lave højeffektive transistorer.

"Vi var allerede klar over teorien. Men nu har vi udført eksperimenter, som faktisk viser den lyslignende spredning af elektroner i dobbeltlagsgrafen. Det var et meget spændende øjeblik for hele holdet," siger professor Thomas Weitz, ved Göttingen Universitetets Fysiske Fakultet.

Dr. Anna Seiler, postdoc-forsker og førsteforfatter også ved Göttingen Universitet, tilføjer:"Vores arbejde er i høj grad et første skridt, men et afgørende skridt. Det næste skridt for forskere vil være at se, om tolagsgrafen virkelig kan forbedre transistorer eller at undersøge potentialet af denne effekt på andre teknologiområder."

Flere oplysninger: Anna M. Seiler et al., Probing the tunable multi-cone band structure in Bernal tolayer graphene, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47342-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Göttingen