De zich snel ontwikkelende wetenschap en technologie van grafeen en atomair dunne materialen heeft een nieuwe stap voorwaarts gezet met nieuw onderzoek van de Universiteit van Manchester.

Dit onderzoek, gepubliceerd in Wetenschap , laat zien hoe een verscheidenheid aan verschillende elektronische eigenschappen - in wezen nieuwe materialen - kunnen worden gerealiseerd door eenvoudig een magnetisch veld aan te leggen.

Elektronen in materialen bewegen heel anders dan een vrij elektron in vacuüm:hun eigenschappen worden sterk beïnvloed door de elektrische potentiaal van ionen waaruit het kristalrooster bestaat. Deze interactie verandert de massa van elektronen en maakt materialen ofwel metalen, halfgeleiders of isolatoren, afhankelijk van de gedetailleerde atomaire structuur. Dit zorgt voor de grote verscheidenheid aan materiaaleigenschappen die we kennen en waarmee we werken.

Eerder, de onderzoekers van de Universiteit van Manchester hebben manieren gevonden om nieuwe materialen met op maat gemaakte elektronische eigenschappen te maken door een elektronisch materiaal (in dit geval grafeen) op een ander kristal te plaatsen, hexagonaal boornitride. Nutsvoorzieningen, ze laten zien hoe je een hele reeks verschillende elektronische materialen kunt creëren door simpelweg het aangelegde magnetische veld af te stemmen.

In deze combinatie van materialen, boornitride-atomen creëren een periodiek patroon voor elektronen in grafeen dat bekend staat als een superrooster. Zo'n superrooster wordt gekenmerkt door de lengteschaal van het periodiek patroon, overwegende dat de sterkte van het aangelegde magnetische veld kan worden geteld in zogenaamde fluxquanta, elementaire eenheden van magnetisch veld.

Telkens wanneer een geheel getal van het fluxquantum door een gebied dringt dat door het elementaire superrooster wordt gegeven, wordt een passende voorwaarde bereikt. Bij deze speciale waarden van het magnetische veld, zagen de onderzoekers dat elektronen langs rechte lijnen begonnen te bewegen, alsof het magnetische veld afwezig was.

Dit staat in schril contrast met het bekende gedrag van elektronen in een magnetisch veld waar elektronen langs gebogen banen moeten bewegen die bekend staan ​​als cyclotronbanen. Als gevolg van deze veranderingen van rechte naar gebogen banen en terug bij veel overeenkomende omstandigheden, de onderzoekers vonden oscillaties in de elektrische geleidbaarheid van superroosters van grafeen.

Alle eerder bekende oscillaties in een magnetisch veld vereisen lage temperaturen, typisch gelijk aan wanneer helium een ​​vloeistof wordt. In tegenstelling tot, de nieuwe oscillaties werden waargenomen bij zeer hoge temperaturen, ruim boven kamertemperatuur.

Professor Sir Andre Geim van de Universiteit van Manchester, die in 2010 de Nobelprijs voor Natuurkunde won voor zijn werk aan grafeen, leidde de experimentele inspanning en zei:"Oscillerende kwantumeffecten bieden altijd mijlpalen in ons begrip van materiaaleigenschappen. Ze zijn buitengewoon zeldzaam. Het is meer dan 30 jaar geleden dat een nieuw type kwantumoscillatie werd gemeld."

Hij voegde eraan toe:"Onze oscillaties onderscheiden zich door hun extreme robuustheid, gebeurt onder omgevingsomstandigheden in gemakkelijk toegankelijke magnetische velden."

Een ander opmerkelijk aspect van dit werk is dat grafeen-superroosters eerder zijn gebruikt om zogenaamde Hofstadter-vlinders te bestuderen, subtiele veranderingen in de elektronische structuur met magnetisch veld. Deze veranderingen vertonen een fascinerende fractale structuur.

Professor Vladimir Falko, Directeur van het National Graphene Institute, die theoretische ondersteuning bij dit werk verleende, merkte op:"Ons werk helpt de Hofstadter-vlinder te demystificeren. De complexe fractale structuur van het Hofstadter-vlinderspectrum kan worden begrepen als eenvoudige Landau-kwantisatie in de reeks van nieuwe metalen gecreëerd door magnetische veld."