Beschouwd als een mogelijke vervanging voor op silicium gebaseerde halfgeleiders, grafeen, een vel pure koolstof, er is ontdekt dat het een ongebruikelijke en verbazingwekkende eigenschap heeft waardoor het misschien beter geschikt is voor toekomstige elektronische apparaten.

Natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hebben ontdekt dat het op een specifieke manier uitrekken van grafeen nanobellen produceert, elektronen dwingen zich te gedragen alsof ze door een sterk magnetisch veld worden verplaatst.

In plaats van energiebanden te gebruiken, zoals in ongespannen grafeen, de elektronen in elke individuele nanobel splitsen zich op in gekwantiseerde energieniveaus. "De energieniveaus zijn identiek aan die welke een elektron zou innemen als het in cirkels zou bewegen in een zeer sterk magnetisch veld; zo hoog als 300 tesla, die groter is dan welk laboratorium dan ook kan produceren, behalve in korte explosies, " zei Michael Crommie, hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley en faculteitsonderzoeker bij LBNL. "Dit geeft ons een nieuwe greep op hoe we kunnen bepalen hoe elektronen in grafeen bewegen, en zo de elektronische eigenschappen van grafeen te controleren, door spanning. Door te bepalen waar de elektronen zich ophopen en met welke energie, je zou ervoor kunnen zorgen dat ze gemakkelijker of minder gemakkelijk door grafeen bewegen, in werkelijkheid, hun geleidbaarheid regelen, optische of microgolfeigenschappen. Controle van elektronenbeweging is het meest essentiële onderdeel van elk elektronisch apparaat."

Terwijl het aardmagnetisch veld op grondniveau 31 microtesla is, magnetische resonantie imagers gebruiken magneten van minder dan 10 tesla. Crommie en collega's zullen de ontdekking rapporteren in het nummer van 30 juli van het tijdschrift Wetenschap .

Crommie wil graag de abnormale eigenschap van grafeen gebruiken om te onderzoeken hoe elektronen functioneren in velden die, tot nu, niet in het laboratorium zijn verkregen, ondanks de technische implicaties van de ontdekking. "Als je een magnetisch veld aanzwengelt, begin je heel interessant gedrag te zien, omdat de elektronen in kleine cirkels draaien, " zei hij. "Dit effect geeft ons een nieuwe manier om dit gedrag op te wekken, zelfs in de afwezigheid van een echt magnetisch veld."

Onder de vreemde gedragingen die worden waargenomen van elektronen in sterke magnetische velden zijn het quantum Hall-effect en het fractionele quantum Hall-effect, bij lage temperaturen vallen elektronen ook in gekwantiseerde energieniveaus.

Bij toeval ontdekt, het nieuwe effect werd gevonden toen een postdoctoraal onderzoeker van UC Berkeley en studenten in Crommie's lab grafeen kweekten op het oppervlak van een platinakristal. Net als kippengaas, grafeen is een één atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal patroon. Wanneer gekweekt op platina, de koolstofatomen komen niet overeen met de driehoekige kristalstructuur van het metalen oppervlak. dit, beurtelings, creëert een spanningspatroon in het grafeen alsof het uit drie verschillende richtingen wordt getrokken.

"De soort produceert kleine, verhoogde driehoekige grafeenbellen met een diameter van 4 tot 10 nanometer waarin de elektronen discrete energieniveaus innemen in plaats van de brede, continu bereik van energieën toegestaan ​​door de bandstructuur van ongespannen grafeen. Dit nieuwe elektronische gedrag werd spectroscopisch gedetecteerd door middel van scanning tunneling microscopie. Deze zogenaamde Landau-niveaus doen denken aan de gekwantiseerde energieniveaus van elektronen in het eenvoudige Bohr-model van het atoom, ' zei Crommie.

Voor het eerst voorspeld voor koolstofnanobuisjes in 1997 door Charles Kane en Eugene Mele van de Universiteit van Pennsylvania, was het verschijnen van een pseudomagnetisch veld als reactie op spanning in grafeen. Nanobuisjes zijn slechts een opgerolde vorm van grafeen.

Echter, in het afgelopen jaar, Francisco Guinea van het Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid in Spanje, Mikhael Katsnelson van de Radboud Universiteit Nijmegen, Nederland, en A.K. Geim van de Universiteit van Manchester, Engeland voorspelde een pseudo-quantum Hall-effect in gespannen grafeen. Dit is dezelfde kwantisering die Crommie's onderzoeksgroep heeft waargenomen. Crommie's laboratorium bezoeken op het moment van ontdekking, natuurkundige van de universiteit van Boston, Antonio Castro Neto, herkende onmiddellijk de implicaties van de gegevens. Latere experimenten bevestigden, het weerspiegelde het pseudo-kwantum Hall-effect zoals voorspeld.

"Theoretici klampen zich vaak vast aan een idee en onderzoeken het theoretisch nog voordat de experimenten zijn gedaan, en soms komen ze met voorspellingen die in het begin een beetje gek lijken. Wat nu zo opwindend is, is dat we gegevens hebben die aantonen dat deze ideeën niet zo gek zijn, "Zei Crommie. "De waarneming van deze gigantische pseudomagnetische velden opent de deur naar 'straintronics' bij kamertemperatuur, ' het idee om mechanische vervormingen in grafeen te gebruiken om het gedrag ervan voor verschillende elektronische apparaattoepassingen te ontwikkelen."

Crommie merkte ook op, de "pseudomagnetische velden" in de nanobellen zijn hoog genoeg dat de energieniveaus worden gescheiden door honderden millivolts, die veel hoger is dan kamertemperatuur. Zelfs bij kamertemperatuur, thermische ruis zou dit effect in grafeen niet verstoren. Echter, de experimenten met nanobellen in het laboratorium van Crommie zijn uitgevoerd bij zeer lage temperaturen.

Elektronen die in een magnetisch veld bewegen, cirkelen normaal gesproken rond de veldlijnen, maar binnen de gespannen nanobellen, de elektronen cirkelen in het vlak van de grafeenplaat. Het is alsof een sterk magnetisch veld loodrecht op de plaat wordt aangelegd, zelfs als er geen echt magnetisch veld is. "Blijkbaar, ' zei Crommie, "het pseudomagnetische veld heeft alleen invloed op bewegende elektronen en niet op andere eigenschappen van het elektron, zoals draaien, die worden beïnvloed door echte magnetische velden."