Onderzoekers van Stanford University en SLAC National Accelerator Laboratory hebben het allereerste systeem van "designer-elektronen" gecreëerd - exotische varianten van gewone elektronen met afstembare eigenschappen die uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe soorten materialen en apparaten.

"Het gedrag van elektronen in materialen vormt de kern van vrijwel alle hedendaagse technologieën, " zei Hari Manoharan, universitair hoofddocent natuurkunde aan Stanford en lid van SLAC's Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, die het onderzoek leidde. "We zijn nu in staat om de fundamentele eigenschappen van elektronen af ​​te stemmen, zodat ze zich gedragen op een manier die zelden wordt gezien in gewone materialen."

Hun eerste voorbeelden, vandaag gemeld in Natuur , werden met de hand gemaakt, honingraatvormige structuren geïnspireerd op grafeen, een pure vorm van koolstof die alom is geprezen vanwege zijn potentieel in toekomstige elektronica. aanvankelijk, de elektronen in deze structuur hadden grafeenachtige eigenschappen; bijvoorbeeld, in tegenstelling tot gewone elektronen, ze hadden geen massa en reisden alsof ze zich met de snelheid van het licht in een vacuüm voortbewogen. Maar onderzoekers waren toen in staat om deze elektronen af ​​te stemmen op manieren die moeilijk te doen zijn in echt grafeen.

Om de structuur te maken, wat Manoharan moleculair grafeen noemt, de wetenschappers gebruiken een scanning tunneling microscoop om individuele koolmonoxidemoleculen op een perfect glad koperen oppervlak te plaatsen. Het koolmonoxide stoot de vrij stromende elektronen op het koperoppervlak af en dwingt ze in een honingraatpatroon, waar ze zich gedragen als grafeenelektronen.

Om de eigenschappen van de elektronen af ​​te stemmen, de onderzoekers herpositioneerden de koolmonoxidemoleculen op het oppervlak; dit veranderde de symmetrie van de elektronenstroom. In sommige configuraties, elektronen gedroegen zich alsof ze waren blootgesteld aan een magnetisch of elektrisch veld. In andere, onderzoekers waren in staat om de dichtheid van elektronen op het oppervlak fijn af te stemmen door defecten of onzuiverheden te introduceren. Door complexe patronen te schrijven die veranderingen in de lengte en sterkte van koolstof-koolstofbindingen in grafeen nabootsten, konden de onderzoekers de massa van de elektronen herstellen in kleine, geselecteerde gebieden.

"Een van de wildste dingen die we deden, was de elektronen te laten denken dat ze zich in een enorm magnetisch veld bevinden wanneer, in feite, geen echt veld was toegepast, " zei Manoharan. Geleid door de theorie ontwikkeld door co-auteur Francisco Guinea van Spanje, het Stanford-team berekende de posities waar koolstofatomen in grafeen zouden moeten zijn om de elektronen te laten geloven dat ze werden blootgesteld aan magnetische velden variërend van nul tot 60 Tesla, meer dan 30 procent hoger dan het sterkste continue magnetische veld dat ooit op aarde is bereikt. De onderzoekers verplaatsten vervolgens koolmonoxidemoleculen om de elektronen naar precies die posities te sturen, en de elektronen reageerden door zich precies zo te gedragen als voorspeld - alsof ze waren blootgesteld aan een echt veld.

"Onze nieuwe aanpak is een krachtig nieuw testbed voor natuurkunde, " zei Manoharan. "Moleculair grafeen is slechts de eerste in een reeks mogelijke designerstructuren. We verwachten dat ons onderzoek uiteindelijk nieuwe materialen op nanoschaal met nuttige elektronische eigenschappen zal identificeren."