(PhysOrg.com) -- Ten eerste, het waren de voetbalvormige moleculen die buckyballs werden genoemd. Toen waren het de cilindrisch gevormde nanobuisjes. Nutsvoorzieningen, het populairste nieuwe materiaal in de natuurkunde en nanotechnologie is grafeen:een opmerkelijk plat molecuul gemaakt van koolstofatomen die zijn gerangschikt in zeshoekige ringen, net als moleculair kippengaas.

Dit is niet alleen het dunst mogelijke materiaal, maar het is ook 10 keer sterker dan staal en het geleidt elektriciteit beter dan enig ander bekend materiaal bij kamertemperatuur. Deze en andere exotische eigenschappen van grafeen hebben de interesse gewekt van natuurkundigen, die ze willen bestuderen, en nanotechnologen, die ze willen uitbuiten om nieuwe elektrische en mechanische apparaten te maken.

"Er zijn twee kenmerken die grafeen uitzonderlijk maken, " zegt Kirill Bolotin, die net als assistent-professor is toegetreden tot het Vanderbilt Department of Physics and Astronomy. "Eerst, de moleculaire structuur is zo resistent tegen defecten dat onderzoekers ze met de hand hebben moeten maken om te bestuderen welke effecten ze hebben. Tweede, de elektronen die elektrische lading dragen, reizen veel sneller en gedragen zich over het algemeen alsof ze veel minder massa hebben dan in gewone metalen of supergeleiders."

Bolotin is direct betrokken geweest bij de inspanningen om dit exotische nieuwe materiaal te vervaardigen en te karakteriseren als een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Philip Kim aan de Columbia University. In een artikel dat vorige week in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur , hij en zijn Columbia-collega's melden dat ze erin zijn geslaagd grafeen voldoende op te ruimen zodat het een bizar elektrisch fenomeen vertoont dat het fractionele quantum Hall-effect wordt genoemd, waar de elektronen samenwerken om nieuwe deeltjes te creëren met elektrische ladingen die een fractie zijn van die van individuele elektronen.

Hoewel grafeen het eerste echt tweedimensionale kristallijne materiaal is dat is ontdekt, door de jaren heen hebben wetenschappers veel nagedacht over hoe tweedimensionale gassen en vaste stoffen zich zouden moeten gedragen. Ze zijn er ook in geslaagd om een ​​tweedimensionaal elektronengas nauwkeurig te benaderen door twee enigszins verschillende halfgeleiders aan elkaar te binden. Elektronen zijn beperkt tot het grensvlak tussen de twee en hun bewegingen zijn beperkt tot twee dimensies. Wanneer een dergelijk systeem wordt afgekoeld tot minder dan één graad boven het absolute nulpunt en er een sterk magnetisch veld wordt aangelegd, dan verschijnt het fractionele quantum Hall-effect.

Sinds wetenschappers vijf jaar geleden ontdekten hoe ze grafeen konden maken, ze hebben geprobeerd het dit effect te laten vertonen met slechts marginaal succes. Volgens Bolotine, de Columbia-groep ontdekte dat interferentie van het oppervlak waarop het grafeen zat het probleem was. Dus pasten ze halfgeleiderlithografietechnieken toe om ultraschone grafeenplaten op te hangen tussen microscopisch kleine paaltjes boven het oppervlak van halfgeleiderchips. Toen ze deze configuratie binnen zes graden van het absolute nulpunt afkoelden en een magnetisch veld aanbrachten, het grafeen genereerde een robuust quantum Hall-effect zoals voorspeld door de theorie.

De beste manier om dit contra-intuïtieve effect te begrijpen, is door de elektronen in grafeen te zien als een (zeer dunne) zee van lading. Wanneer het magnetische veld wordt aangelegd, het genereert draaikolken in de elektronenvloeistof. Omdat elektronen een negatieve lading dragen, deze wervels hebben een positieve lading. Ze vormen met fractionele ladingen zoals een derde, de helft en tweederde van die van een elektron. Deze positieve ladingsdragers worden aangetrokken door en hechten aan de geleidingselektronen, het creëren van quasi-deeltjes met fractionele ladingen.

Het begrijpen van de elektrische eigenschappen van grafeen is belangrijk omdat, in tegenstelling tot de andere materialen die door de elektronica-industrie worden gebruikt, het blijft stabiel en geleidend tot op moleculaire schaal. Als resultaat, wanneer de huidige siliciumtechnologie de komende jaren een fundamentele miniaturisatielimiet bereikt, grafeen zou heel goed zijn plaats kunnen innemen.

In de tussentijd, sommige theoretische natuurkundigen zijn om een ​​heel andere reden in grafeen geïnteresseerd:het biedt een nieuwe manier om hun theorieën te testen.

Terwijl elektronen door gewone metalen bewegen, ze interageren met de elektrische velden geproduceerd door het rooster van metaalatomen, die ze op een complexe manier duwen en trekken. Het netto resultaat is dat de elektronen zich gedragen alsof ze een andere massa hebben dan gewone elektronen. Dus natuurkundigen noemen dit een "effectieve massa" en beschouwen ze als quasideeltjes. Wanneer ze door grafeen reizen, fungeren ze ook als quasideeltjes, maar ze gedragen zich alsof ze een massa van nul hebben. Het blijkt dat grafeen quasideeltjes, in tegenstelling tot die in andere materialen, gehoorzamen aan de regels van de kwantumelektrodynamica, dezelfde relativistische vergelijkingen die natuurkundigen gebruiken om het gedrag van deeltjes in zwarte gaten en hoogenergetische deeltjesversnellers te beschrijven. Als resultaat, dit nieuwe materiaal kan natuurkundigen in staat stellen om tafelexperimenten uit te voeren die hun theoretische modellen van enkele van de meest extreme omgevingen in het universum testen.

Meer informatie: www.nature.com/nature/journal/ … ull/nature08582.html

Bron:Vanderbilt University (nieuws:web)