(Phys.org) -- Misschien genereert geen enkel ander materiaal zoveel opwinding in de elektronicawereld als grafeen, platen van pure koolstof van slechts één atoom dik waardoor elektronen met bijna de lichtsnelheid kunnen racen - 100 keer sneller dan ze door silicium bewegen. Super dun, Super sterk, superflexibel en supersnel als elektrische geleider, grafeen is aangeprezen als een potentieel wondermateriaal voor een groot aantal elektronische toepassingen, beginnend met ultrasnelle transistoren. Om het enorme potentieel van grafeen volledig te realiseren, echter, wetenschappers moeten eerst meer te weten komen over wat grafeen zo super maakt. De laatste stap in deze richting is gezet door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California Berkeley.

Michael Crommie, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, leidde een onderzoek waarin de eerste directe waarnemingen op microscopische lengtes werden vastgelegd van hoe elektronen en gaten reageren op een geladen onzuiverheid - een enkele Coulomb-potentiaal - geplaatst op een gated grafeenapparaat. De resultaten bieden experimentele ondersteuning voor de theorie dat interacties tussen elektronen cruciaal zijn voor de buitengewone eigenschappen van grafeen.

"We hebben aangetoond dat elektronen in grafeen zich heel anders gedragen rond geladen onzuiverheden dan elektronen in andere materialen, ' zegt Crommie. "Sommige onderzoekers zijn van mening dat elektron-elektron-interacties niet belangrijk zijn voor de intrinsieke eigenschappen van grafeen, terwijl anderen hebben beweerd dat dit wel het geval is. Onze allereerste foto's van hoe ultrarelativistische elektronen zichzelf herschikken als reactie op een Coulomb-potentiaal, komen neer op de kant van elektron-elektron-interacties die een belangrijke factor zijn."

Crommie is de corresponderende auteur van een paper waarin deze studie wordt beschreven, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics. Het artikel is getiteld "Mapping Dirac quasideeltjes in de buurt van een enkele Coulomb-onzuiverheid op grafeen." Co-auteur van dit artikel was Yang Wang, Victor Brar, Andrey Shytov, Qion Wu, Willem Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl en Leonid Levitov.

Grafeenplaten zijn samengesteld uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in een tweedimensionaal hexagonaal patroonrooster, als een honingraat. Elektronen die door dit honingraatrooster bewegen, bootsen perfect het gedrag na dat wordt verwacht van zeer relativistisch geladen deeltjes zonder massa:denk aan een lichtstraal die elektrisch geladen is. Omdat dit hetzelfde gedrag is dat wordt vertoond door zeer relativistische vrije elektronen, ladingsdragers in grafeen worden "Dirac quasideeltjes, ” naar Paul Dirac, de wetenschapper die in 1928 voor het eerst het gedrag van relativistische fermionen beschreef.

“Bij grafeen, elektronen gedragen zich als massaloze Dirac-fermionen, ' zegt Crommie. “Als zodanig, de reactie van deze elektronen op een Coulomb-potentiaal zal naar verwachting aanzienlijk verschillen van hoe niet-relativistische elektronen zich gedragen in traditionele atomaire en onzuiverheidssystemen. Echter, tot nu, veel belangrijke theoretische voorspellingen voor dit ultrarelativistische systeem waren niet getest.”

Werken met een speciaal uitgeruste scanning tunneling microscoop (STM) in ultrahoog vacuüm, Crommie en zijn collega's onderzochten gated apparaten die bestonden uit een grafeenlaag die was afgezet bovenop boornitridevlokken die zelf op een siliciumdioxidesubstraat waren geplaatst. de meest voorkomende halfgeleidersubstraten.

"Het gebruik van boornitride verminderde de ladingsinhomogeniteit van grafeen aanzienlijk, waardoor we de intrinsieke elektronische respons van grafeen op individuele geladen onzuiverheden kunnen onderzoeken, ' zegt Crommie. In dit onderzoek, de geladen onzuiverheden waren kobalttrimeren die op grafeen waren geconstrueerd door kobaltmonomeren atomair te manipuleren met de punt van een STM.

De STM die werd gebruikt om de kobalttrimeren te fabriceren, werd ook gebruikt om (via ruimtelijke variatie in de elektronische structuur van het grafeen) de respons van Dirac-quasideeltjes - zowel elektronachtig als gatachtig - in kaart te brengen op het Coulomb-potentieel dat door de trimeren wordt gecreëerd. Door de waargenomen elektron-gat-asymmetrie te vergelijken met theoretische simulaties, kon het onderzoeksteam niet alleen theoretische voorspellingen testen voor hoe Dirac-fermionen zich gedragen in de buurt van een Coulomb-potentiaal, maar ook om de diëlektrische constante van grafeen te extraheren.

“Theoretici hebben voorspeld dat in vergelijking met andere materialen, elektronen in grafeen worden ofwel te zwak in een positief geladen onzuiverheid getrokken, het subkritische regime; of te sterk, het superkritische regime, ' zegt Crommie. “In onze studie we hebben de voorspellingen voor het subkritische regime geverifieerd en ontdekten dat de waarde voor het diëlektricum klein genoeg was om aan te geven dat elektron-elektron-interacties aanzienlijk bijdragen aan de eigenschappen van grafeen. Deze informatie is fundamenteel voor ons begrip van hoe elektronen door grafeen bewegen.”