Metallische koolstofnanobuizen zijn veelbelovend voor toepassingen van micro-elektronica tot hoogspanningslijnen vanwege hun ballistische transmissie van elektronen. Maar wie wist dat magneten die elektronen in hun sporen konden stoppen?

Rijstfysicus Junichiro Kono en zijn team hebben het Aharonov-Bohm-effect bestudeerd - de interactie tussen elektrisch geladen deeltjes en magnetische velden - en hoe het zich verhoudt tot koolstofnanobuisjes. Terwijl je dat doet, ze kwamen tot de onverwachte conclusie dat magnetische velden sterk geleidende nanobuisjes in halfgeleiders kunnen veranderen.

Hun bevindingen worden deze maand online gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Als je een magnetisch veld toepast, een band gap opent zich en het wordt een isolator, " zei Kono, een Rice-professor in elektrische en computertechniek en in natuurkunde en astronomie. "Je verandert een geleider in een halfgeleider, en je kunt wisselen tussen de twee. Dit experiment onderzoekt dus zowel een belangrijk aspect van de resultaten van het Aharonov-Bohm-effect als de nieuwe magnetische eigenschappen van koolstofnanobuisjes."

Kono, afgestudeerde student Thomas Searles en hun collega's van het National Institute of Standards and Technology en in Japan hebben voor het eerst met succes de magnetische gevoeligheid van een verscheidenheid aan nanobuisjes gemeten; ze bevestigden dat metalen veel gevoeliger zijn voor magnetische velden dan halfgeleidende nanobuisjes, afhankelijk van de oriëntatie en sterkte van het veld.

Enkelwandige nanobuisjes (SWNT's) - opgerolde vellen grafeen - zouden er allemaal hetzelfde uitzien met het blote oog als je ze zou kunnen zien. Maar bij nadere beschouwing blijkt dat nanobuisjes in vele vormen voorkomen, of chiraliteiten, afhankelijk van hoe ze worden gerold. Sommige zijn halfgeleidend; sommige zijn zeer geleidende metallics. De gouden standaard voor geleidbaarheid is de fauteuil nanobuis, zo genoemd omdat de open uiteinden een patroon vormen dat lijkt op fauteuils.

Niet zomaar een magneet zou goed zijn voor hun experimenten. Kono en Searles reisden naar het Tsukuba Magnet Laboratory van het National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan, waar 's werelds op een na grootste elektromagneet werd gebruikt om een ​​verfijnd ensemble van 10 chiraliteiten van SWNT's te plagen, sommige metallisch en sommige halfgeleidend, hun geheimen prijsgeven.

Door de grote magneet op te voeren tot 35 tesla, ze ontdekten dat de nanobuisjes zichzelf parallel zouden gaan uitlijnen en dat de metalen veel sterker reageerden dan de halfgeleiders. (Ter vergelijking, de gemiddelde MRI-machine voor medische beeldvorming heeft elektromagneten van 0,5 tot 3 tesla.) Spectroscopische analyse bevestigde de metalen, in het bijzonder fauteuil nanobuisjes, twee tot vier keer gevoeliger waren voor het magnetische veld dan halfgeleiders en dat elke chiraliteit anders reageerde.

De nanobuisjes waren allemaal ongeveer 0,7 tot 0,8 nanometer breed en 500 nanometer lang, dus variaties in grootte waren geen factor in de resultaten van Searles. Hij bracht afgelopen herfst een week door met experimenten in de "hybride, " een supergeleidende magneet met grote diameter die een watergekoelde resistieve magneet bevat.

Kono zei dat het werk zou doorgaan met gezuiverde batches nanobuisjes geproduceerd door ultracentrifugatie bij Rice. Dat zou meer specifieke informatie moeten opleveren over hun gevoeligheid voor magnetische velden, hoewel hij vermoedt dat het effect nog sterker zou moeten zijn in langere metallics. "Dit werk laat duidelijk zien dat metalen buizen en halfgeleidende buizen verschillend zijn, maar nu we met metaal verrijkte monsters hebben, we kunnen verschillende chiraliteiten vergelijken binnen de metaalfamilie, " hij zei.