Een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Californië, Riverside heeft een eigenschap van "dubbellaags grafeen" (BLG) geïdentificeerd waarvan de onderzoekers zeggen dat het analoog is aan het vinden van het Higgs-deeltje in de deeltjesfysica.

grafeen, het dunste elastische materiaal van de natuur, is een één-atoom dik vel koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster. Vanwege de vlakke en kippengaasachtige structuur van grafeen, vellen ervan lenen zich goed om te stapelen.

BLG ontstaat wanneer twee grafeenvellen op een speciale manier worden gestapeld. zoals grafeen, BLG heeft een hoge stroombelastbaarheid, ook bekend als hoge elektronengeleiding. De hoge stroomcapaciteit is het gevolg van de extreem hoge snelheden die elektronen in een grafeenvel kunnen krijgen.

De natuurkundigen rapporteren online 22 januari in Natuur Nanotechnologie dat ze bij het onderzoeken van de eigenschappen van BLG ontdekten dat wanneer het aantal elektronen op het BLG-vel bijna 0 is, het materiaal wordt isolerend (dat wil zeggen, het is bestand tegen elektrische stroom) - een bevinding die gevolgen heeft voor het gebruik van grafeen als elektronisch materiaal in de halfgeleider- en elektronica-industrie.

"BLG wordt isolerend omdat zijn elektronen zichzelf spontaan organiseren wanneer hun aantal klein is, " zei Chun Ning (Jeanie) Lau, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en de hoofdauteur van het onderzoekspaper. "In plaats van willekeurig rond te lopen, de elektronen bewegen op een ordelijke manier. Dit wordt in de natuurkunde 'spontaan breken van de symmetrie' genoemd, en is een zeer belangrijk concept, omdat het hetzelfde principe is dat massa 'begiftigt' voor deeltjes in de hoge-energiefysica."

Lau legde uit dat een typische geleider een enorm aantal elektronen heeft, die willekeurig rondlopen, eerder als een feest met tienduizend gasten zonder toegewezen stoelen aan eettafels. Als het feest maar vier gasten heeft, echter, dan zullen de gasten met elkaar moeten communiceren en aan een tafel moeten gaan zitten. evenzo, wanneer BLG slechts een paar elektronen heeft, zorgen de interacties ervoor dat de elektronen zich op een ordelijke manier gedragen.

Nieuw kwantumdeeltje

Allan MacDonald, de Sid W. Richardson Foundation Regents Chair in de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Texas in Austin en een co-auteur van het onderzoekspaper, merkte op dat het team de massa heeft gemeten van een nieuw type massief kwantumdeeltje dat alleen in BLG-kristallen te vinden is.

"De fysica die deze deeltjes hun massa geeft, is nauw analoog aan de fysica die de massa van een proton in een atoomkern veel groter maakt dan de massa van de quarks waaruit het is gevormd, " zei hij. "Het deeltje van ons team is gemaakt van elektronen, echter, geen quarks."

MacDonald legde uit dat het experiment dat het onderzoeksteam uitvoerde werd gemotiveerd door theoretisch werk dat verwachtte dat nieuwe deeltjes uit de elektronenzee van een BLG-kristal zouden komen.

"Nu de langverwachte deeltjes zijn gevonden, toekomstige experimenten zullen helpen bij het oplossen van een lopend theoretisch debat over hun eigenschappen, " hij zei.

Praktische toepassingen

Een belangrijke bevinding van het onderzoeksteam is dat de intrinsieke "energiekloof" in BLG groeit met een toenemend magnetisch veld.

In de vastestoffysica, een energiekloof (of bandkloof) verwijst naar een energiebereik in een vaste stof waar geen elektronentoestanden kunnen bestaan. Over het algemeen, de grootte van de energiekloof van een materiaal bepaalt of het een metaal is (geen opening), halfgeleider (kleine opening) of isolator (grote opening). De aanwezigheid van een energiekloof in silicium is van cruciaal belang voor de halfgeleiderindustrie, aangezien voor digitale toepassingen, technici moeten het apparaat 'aan' of geleidend maken, en 'uit' of isolerend.

Enkellaags grafeen (SLG) is gapless, echter, en kan niet volledig worden uitgeschakeld omdat, ongeacht het aantal elektronen op SLG, het blijft altijd metaalachtig en een geleider.

"Dit is enorm nadelig vanuit elektronica-oogpunt, " zei Lau, een lid van UC Riverside's Center for Nanoscale Science and Engineering. "BLG, anderzijds, kan in feite worden uitgeschakeld. Ons onderzoek bevindt zich in de beginfase, en, momenteel, de band gap is nog te klein voor praktische toepassingen. Wat echter enorm opwindend is, is dat dit werk een veelbelovende route suggereert - drielaags grafeen en tetralaag grafeen, die waarschijnlijk veel grotere energiehiaten hebben die kunnen worden gebruikt voor digitale en infraroodtechnologieën. Met deze materialen zijn we al aan de slag gegaan."