In een huwelijk van kwantumwetenschap en vastestoffysica, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben magnetische velden gebruikt om groepen elektronen te beperken tot een reeks concentrische ringen in grafeen, een enkele laag dicht opeengepakte koolstofatomen.

Deze gelaagde "bruidstaart, " die verschijnt in afbeeldingen die de energieniveaustructuur van de elektronen laten zien, bevestigt experimenteel hoe elektronen interageren in een krappe ruimte volgens lang niet-geteste regels van de kwantummechanica. De bevindingen kunnen ook praktische toepassingen hebben in quantum computing.

Grafeen is een veelbelovend materiaal voor nieuwe elektronische apparaten vanwege zijn mechanische sterkte, zijn uitstekende vermogen om elektriciteit te geleiden en zijn ultradunne, in wezen tweedimensionale structuur. Om deze redenen, wetenschappers verwelkomen nieuwe inzichten over dit wondermateriaal.

De onderzoekers, die hun bevindingen rapporteren in het 24 augustus nummer van Wetenschap , begonnen hun experiment met het creëren van kwantumstippen - kleine eilandjes die fungeren als kunstmatige atomen - in grafeenapparaten die waren afgekoeld tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt.

Elektronen draaien om kwantumstippen, vergelijkbaar met de manier waarop deze negatief geladen deeltjes om atomen draaien. Als sporten op een ladder, ze kunnen alleen specifieke energieniveaus innemen volgens de regels van de kwantumtheorie. Maar er gebeurde iets bijzonders toen de onderzoekers een magnetisch veld aanbrachten, die de elektronen die rond de kwantumstip cirkelen verder opsloten. Toen het aangelegde veld een sterkte van ongeveer 1 Tesla bereikte (ongeveer 100 keer de typische sterkte van een kleine staafmagneet), de elektronen kwamen dichter bij elkaar en wisselden sterker in op elkaar.

Als resultaat, de elektronen herschikten zichzelf in een nieuw patroon:een afwisselende reeks geleidende en isolerende concentrische ringen op het oppervlak. Toen de onderzoekers beelden stapelden van de concentrische ringen die waren opgenomen op verschillende elektronenenergieniveaus, de resulterende foto leek op een bruidstaart, met elektronenenergie als verticale dimensie.

Een scanning tunneling microscoop, die oppervlakken afbeeldt met een resolutie op atomaire schaal door de stroom van elektronen tussen verschillende gebieden van het monster en de ultrascherpe punt van de stylus van de microscoop op te nemen, onthulde de structuur.

"Dit is een schoolvoorbeeld van een probleem - bepalen hoe het gecombineerde effect van ruimtelijke en magnetische opsluiting van elektronen eruit ziet - dat je op papier oplost wanneer je voor het eerst wordt blootgesteld aan kwantummechanica, maar dat niemand ooit eerder heeft gezien, "Zei NIST-wetenschapper en co-auteur Joseph Stroscio. "De sleutel is dat grafeen een echt tweedimensionaal materiaal is met een blootgestelde zee van elektronen aan het oppervlak, " voegde hij eraan toe. "In eerdere experimenten met andere materialen, kwantumstippen waren begraven op materiële interfaces, zodat niemand erin had kunnen kijken en zien hoe de energieniveaus veranderen wanneer een magnetisch veld werd toegepast."

Grafeen kwantumstippen zijn voorgesteld als fundamentele componenten van sommige kwantumcomputers.

"Aangezien we dit gedrag zien beginnen bij gematigde velden van ongeveer 1 Tesla, het betekent dat er zorgvuldig rekening moet worden gehouden met deze elektron-elektron-interacties bij het overwegen van bepaalde soorten grafeen-kwantumdots voor kwantumberekening, " zei co-auteur Christopher Gutierrez van de studie, nu aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, die het experimentele werk bij NIST uitvoerde met co-auteurs Fereshte Ghahari en Daniel Walkup van NIST en de Universiteit van Maryland.

Deze prestatie opent ook mogelijkheden voor grafeen om te fungeren als wat de onderzoekers een 'relativistische kwantumsimulator' noemen. De relativiteitstheorie beschrijft hoe objecten zich gedragen wanneer ze met of dichtbij de lichtsnelheid bewegen. En elektronen in grafeen hebben een ongebruikelijke eigenschap:ze bewegen alsof ze massaloos zijn, als lichtdeeltjes. Hoewel elektronen in grafeen veel langzamer reizen dan de lichtsnelheid, hun lichtachtige massaloze gedrag heeft hen de bijnaam 'relativistische' materie opgeleverd. De nieuwe studie opent de deur naar het creëren van een tafel-experiment om sterk beperkte relativistische materie te bestuderen.

De metingen suggereren dat wetenschappers binnenkort nog meer exotische structuren kunnen vinden die worden geproduceerd door de interacties van elektronen die bij lage temperaturen zijn beperkt tot vaste-stofmaterialen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.