(PhysOrg.com) -- Door drie lagen grafeen te bestuderen -- vellen met honingraat geordende koolstofatomen -- op een bepaalde manier gestapeld, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een "klein universum" ontdekt dat wordt bevolkt door een nieuw soort "quasideeltjes" - deeltjesachtige excitaties van elektrische lading. In tegenstelling tot massaloze fotonachtige quasideeltjes in enkellaags grafeen, deze nieuwe quasideeltjes hebben massa, die afhangt van hun energie (of snelheid), en zou in rust oneindig massief worden.

Die accumulatie van massa bij lage energieën betekent dit drielaagse grafeensysteem, indien gemagnetiseerd door het op te nemen in een heterostructuur met magnetisch materiaal, zou mogelijk een veel grotere dichtheid van spin-gepolariseerde ladingsdragers kunnen genereren dan enkellaags grafeen - waardoor het zeer aantrekkelijk is voor een nieuwe klasse apparaten die niet alleen elektrische lading maar ook spin regelen, algemeen bekend als spintronica.

"Ons onderzoek toont aan dat deze zeer ongebruikelijke quasideeltjes, voorspeld door theorie, bestaan ​​in drielaags grafeen, en dat ze eigenschappen bepalen zoals hoe het materiaal zich gedraagt ​​in een magnetisch veld - een eigenschap die kan worden gebruikt om op grafeen gebaseerde elektronische apparaten te besturen, ” zei Brookhaven-natuurkundige Igor Zaliznyak, die het onderzoeksteam leidde. Hun werk dat de eigenschappen van drielaags grafeen meet als een eerste stap in de richting van de engineering van dergelijke apparaten, werd online gepubliceerd in Natuurfysica op 25 sept. 2011.

Grafeen is het onderwerp geweest van intensief onderzoek sinds de ontdekking in 2004, in het bijzonder vanwege het ongewone gedrag van zijn elektronen, die vrij over vlak stromen, enkellaagse vellen van de stof. Het stapelen van lagen verandert de manier waarop elektronen stromen:het stapelen van twee lagen, bijvoorbeeld, zorgt voor een "afstembare" onderbreking in de energieniveaus die de elektronen kunnen bezetten, zo krijgen wetenschappers een manier om de stroom aan en uit te zetten. Dat opent de mogelijkheid om de goedkope stof in nieuwe soorten elektronica te verwerken.

Met drie lagen, de situatie wordt ingewikkelder, wetenschappers hebben gevonden, maar ook potentieel krachtiger.

Een belangrijke variabele is de manier waarop de lagen worden gestapeld:in "ABA"-systemen, de koolstofatomen die de honingraatringen vormen, zijn direct uitgelijnd in de bovenste en onderste lagen (A), terwijl die in de middelste laag (B) zijn verschoven; in "ABC"-varianten, de honingraten in elke gestapelde laag zijn verschoven, laag voor laag naar boven stappen als een trap. Tot dusver, ABC-stapeling lijkt aanleiding te geven tot interessanter gedrag - zoals het onderwerp van de huidige studie.

Voor deze studie is de wetenschappers creëerden het drielaagse grafeen in het Center for Functional Nanomaterials (CFN) in Brookhaven Lab, het afpellen van grafiet, de vorm van koolstof gevonden in potlood. Ze gebruikten microRaman-microscopie om de monsters in kaart te brengen en die te identificeren met drie lagen gestapeld in de ABC-opstelling. Daarna gebruikten ze de nanolithografietools van de CFN, inclusief ionenstraalfrezen, om de monsters op een bepaalde manier vorm te geven, zodat ze voor metingen op elektroden konden worden aangesloten.

In het National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Tallahassee, Florida, de wetenschappers bestudeerden vervolgens de elektronische eigenschappen van het materiaal - met name het effect van een extern magnetisch veld op het transport van elektronische lading als een functie van de dichtheid van de ladingsdragers, Magnetische veldsterkte, en temperatuur.

“Uiteindelijk, het succes van dit project was afhankelijk van hard werken en zeldzame experimentele bekwaamheid van getalenteerde jonge onderzoekers met wie we betrokken waren bij deze studies, vooral, Liyuan Zhang, die destijds onderzoeksmedewerker was bij Brookhaven, en Yan Zhang, dan een afgestudeerde student van Stony Brook University, ', zei Igor Zaliznyak.

De metingen leveren het eerste experimentele bewijs voor het bestaan ​​van een bepaald type quasideeltjes, of elektronische excitatie die werkt als een deeltje en dient als ladingsdrager in het drielaagse grafeensysteem. Deze specifieke quasideeltjes, die werden voorspeld door theoretische studies, een slecht gedefinieerde massa hebben - dat wil zeggen, ze gedragen zich alsof ze een reeks massa's hebben - en die massa's divergeren naarmate het energieniveau afneemt en quasideeltjes oneindig massief worden.

Normaal gesproken zouden dergelijke deeltjes onstabiel zijn en niet kunnen bestaan ​​vanwege interacties met virtuele deeltjes-gatparen - vergelijkbaar met virtuele paren van tegengesteld geladen elektronen en positronen, die verdwijnen als ze met elkaar in contact komen. Maar een eigenschap van de quasideeltjes genaamd chiraliteit, die gerelateerd is aan een speciale smaak van spin in grafeensystemen, zorgt ervoor dat de quasideeltjes niet worden vernietigd door deze interacties. Dus deze exotische oneindig massieve deeltjes kunnen bestaan.

"Deze resultaten bieden experimentele validatie voor de grote hoeveelheid recent theoretisch werk over grafeen, en nieuwe opwindende mogelijkheden te ontdekken voor toekomstige studies gericht op het gebruik van de exotische eigenschappen van deze quasideeltjes, ' zei Zaliznjak.

Bijvoorbeeld, het combineren van magnetische materialen met drielaags grafeen zou de spins van de quasideeltjes van de ladingsdrager kunnen uitlijnen. "Wij geloven dat dergelijke grafeen-magneet-heterostructuren met spin-gepolariseerde ladingsdragers kunnen leiden tot echte doorbraken op het gebied van spintronica, ' zei Zaliznjak.