Onderzoekers van Rutgers hebben nieuwe elektronische eigenschappen ontdekt in tweedimensionale platen van koolstofatomen, grafeen genaamd, die ooit het hart zouden kunnen zijn van snelle en krachtige elektronische apparaten.

De nieuwe bevindingen, voorheen voor mogelijk gehouden door natuurkundigen, maar nu pas gezien in het laboratorium, laten zien dat elektronen in grafeen sterk met elkaar kunnen interageren. Het gedrag is vergelijkbaar met supergeleiding waargenomen in sommige metalen en complexe materialen, gekenmerkt door de stroom van elektrische stroom zonder weerstand en andere ongebruikelijke maar potentieel nuttige eigenschappen. in grafeen, dit gedrag resulteert in een nieuwe vloeistofachtige fase van materie bestaande uit fractioneel geladen quasi-deeltjes, waarin lading wordt vervoerd zonder dissipatie.

In een paper dat online is uitgegeven door het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuur en gepland voor gedrukte publicatie in de komende weken, natuurkundeprofessor Eva Andrei en haar collega's van Rutgers merken op dat de sterke interactie tussen elektronen, ook wel gecorreleerd gedrag genoemd, was niet waargenomen in grafeen ondanks vele pogingen om het eruit te lokken. Dit leidde ertoe dat sommige wetenschappers zich afvroegen of gecorreleerd gedrag zelfs mogelijk zou kunnen zijn in grafeen, waar de elektronen massaloze (ultra-relativistische) deeltjes zijn zoals fotonen en neutrino's. Bij de meeste materialen, elektronen zijn deeltjes die massa hebben.

"Ons werk toonde aan dat eerdere mislukkingen om gecorreleerd gedrag te observeren niet te wijten waren aan de fysieke aard van grafeen, " zei Eva Andrei, hoogleraar natuurkunde aan de Rutgers School of Arts and Sciences. "Liever, het was vanwege interferentie van het materiaal dat grafeenmonsters ondersteunde en het type elektrische sondes dat werd gebruikt om het te bestuderen."

Deze bevinding zou wetenschappers moeten aanmoedigen om grafeen en verwante materialen verder na te streven voor toekomstige elektronische toepassingen, inclusief vervangingen voor de huidige op silicium gebaseerde halfgeleidermaterialen. Industrie-experts verwachten dat siliciumtechnologie binnen iets meer dan een decennium fundamentele prestatielimieten zal bereiken.

De natuurkundigen van Rutgers beschrijven verder hoe ze het collectieve gedrag van de ultrarelativistische ladingsdragers in grafeen observeerden door middel van een fenomeen dat bekend staat als het fractionele quantum Hall-effect (FQHE). De FQHE wordt gezien wanneer ladingsdragers beperkt zijn tot bewegen in een tweedimensionaal vlak en onderhevig zijn aan een loodrecht magnetisch veld. Wanneer interacties tussen deze ladingsdragers voldoende sterk zijn, vormen ze nieuwe quasi-deeltjes met een fractie van de elementaire lading van een elektron. De FHQE is de typische signatuur van sterk gecorreleerd gedrag tussen ladingdragende deeltjes in twee dimensies.

Het is bekend dat de FHQE bestaat in op halfgeleiders gebaseerde, tweedimensionale elektronensystemen, waar de elektronen massieve deeltjes zijn die conventionele dynamiek gehoorzamen versus de relativistische dynamiek van massaloze deeltjes. Echter, het was tot nu toe niet duidelijk dat ultrarelativistische elektronen in grafeen collectieve verschijnselen zouden kunnen vertonen die aanleiding geven tot de FHQE. De natuurkundigen van Rutgers waren verrast dat de FHQE in grafeen nog robuuster is dan in standaard halfgeleiders.

Wetenschappers maken grafeenpleisters door grafiet - hetzelfde materiaal in gewone potloodstift - op een siliciumwafel te wrijven, dat is een dun plakje siliciumkristal dat wordt gebruikt om computerchips te maken. Vervolgens leiden ze elektrische paden naar de grafeenpatches met behulp van gewone fabricagetechnieken voor geïntegreerde schakelingen. Terwijl wetenschappers veel eigenschappen van het resulterende elektronische apparaat van grafeen konden onderzoeken, ze waren niet in staat om het gewilde fractionele quantum Hall-effect te induceren.

Andrei en haar groep stelden voor dat onzuiverheden of onregelmatigheden in de dunne laag siliciumdioxide onder het grafeen de wetenschappers ervan weerhielden om de veeleisende omstandigheden te bereiken die ze nodig hadden. Postdoctoraal onderzoeker Xu Du en student Anthony Barker konden aantonen dat het uitetsen van verschillende lagen siliciumdioxide onder de grafeenpatches in wezen een intacte grafeenstrip achterlaat die in de lucht door de elektroden wordt opgehangen. Hierdoor kon de groep aantonen dat de dragers in gesuspendeerd grafeen zich in wezen ballistisch voortplanten zonder verstrooiing door onzuiverheden. Een andere cruciale stap was het ontwerpen en fabriceren van een meetsondegeometrie die de metingen niet verstoort, zoals Andrei vermoedde dat eerdere metingen deden. Dit bleken beslissende stappen te zijn om het gecorreleerde gedrag in grafeen te observeren.

In de afgelopen maanden, andere academische en zakelijke onderzoeksgroepen hebben gestroomlijnde grafeenproductietechnieken gerapporteerd, die verder onderzoek en mogelijke toepassingen zal stimuleren.

Bron:Rutgers University (nieuws:web)