(Phys.org) —Grafeen is een wondermateriaal voor alle doeleinden geworden, legers van onderzoekers aansporen om nieuwe mogelijkheden voor dit tweedimensionale rooster van pure koolstof te verkennen. Maar nieuw onderzoek aan het MIT heeft extra potentieel voor het materiaal gevonden door onverwachte kenmerken aan het licht te brengen die zich onder extreme omstandigheden voordoen - kenmerken die grafeen geschikt zouden kunnen maken voor exotische toepassingen zoals kwantumcomputers.

Het onderzoek wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , in een paper van professoren Pablo Jarillo-Herrero en Ray Ashoori, postdocs Andrea Young en Ben Hunt, afgestudeerde student Javier Sanchez-Yamaguchi, en drie anderen. Onder een extreem krachtig magnetisch veld en bij extreem lage temperatuur, vonden de onderzoekers, grafeen kan elektronen effectief filteren volgens de richting van hun spin, iets dat niet kan worden gedaan door een conventioneel elektronisch systeem.

Onder typische omstandigheden, vellen grafeen gedragen zich als normale geleiders:breng een spanning aan, en stroom vloeit door de tweedimensionale vlok. Als je een magnetisch veld aanzet loodrecht op de grafeenvlok, echter, het gedrag verandert:stroom stroomt alleen langs de rand, terwijl het grootste deel isolerend blijft. Bovendien, deze stroom vloeit slechts in één richting - met de klok mee of tegen de klok in, afhankelijk van de oriëntatie van het magnetische veld - in een fenomeen dat bekend staat als het quantum Hall-effect.

In het nieuwe werk de onderzoekers ontdekten dat als ze een tweede krachtig magnetisch veld aanbrachten - dit keer in hetzelfde vlak als de grafeenvlok - het gedrag van het materiaal opnieuw verandert:elektronen kunnen in beide richtingen langs de geleidende rand bewegen, met elektronen met een soort spin die met de klok mee beweegt, terwijl die met de tegenovergestelde spin tegen de klok in bewegen.

"We creëerden een ongewoon soort geleider langs de rand, " zegt Jong, een Pappalardo Postdoctoral Fellow in de fysica-afdeling van het MIT en de hoofdauteur van het artikel, "vrijwel een eendimensionale draad." De segregatie van elektronen volgens spin is "een normaal kenmerk van topologische isolatoren, " hij zegt, "maar grafeen is normaal gesproken geen topologische isolator. We krijgen hetzelfde effect in een heel ander materiaalsysteem."

Bovendien, door het magnetische veld te variëren, "we kunnen deze randtoestanden in- en uitschakelen, " zegt Young. Dat schakelvermogen betekent dat, in principe, "we kunnen er circuits en transistors van maken, " hij zegt, wat nog niet eerder is gerealiseerd in conventionele topologische isolatoren.

Er is nog een ander voordeel van deze spin-selectiviteit, Young zegt:Het voorkomt een fenomeen genaamd "backscattering, " wat de beweging van de elektronen zou kunnen verstoren. Als gevolg hiervan, onvolkomenheden die normaal gesproken de elektronische eigenschappen van het materiaal zouden verpesten, hebben weinig effect. "Zelfs als de randen 'vuil' zijn, 'elektronen worden bijna perfect langs deze rand overgedragen, " hij zegt.

Jarillo-Herrero, de Mitsui Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT, zegt dat het gedrag in deze grafeenvlokken was voorspeld, maar nog nooit eerder gezien. Dit werk, hij zegt, is de eerste keer dat dergelijk spin-selectief gedrag is aangetoond in een enkel vel grafeen, en ook de eerste keer dat iemand het vermogen heeft getoond om 'tussen deze twee regimes over te schakelen'.

Dat zou uiteindelijk kunnen leiden tot een nieuwe manier om een ​​soort kwantumcomputer te maken, Jarillo-Herrero zegt, iets dat onderzoekers hebben geprobeerd te doen, zonder succes, al decenia. Maar vanwege de extreme omstandigheden die nodig zijn, Jong zegt, "dit zou een zeer gespecialiseerde machine zijn" die alleen wordt gebruikt voor computertaken met hoge prioriteit, zoals in nationale laboratoria.

Ashoori, een professor in de natuurkunde, wijst erop dat de nieuw ontdekte randtoestanden een aantal verrassende eigenschappen hebben. Bijvoorbeeld, hoewel goud een uitzonderlijk goede elektrische geleider is, wanneer er gouden scharrels aan de rand van de grafeenvlokken worden toegevoegd, ze zorgen ervoor dat de elektrische weerstand toeneemt. De gouden dabs laten de elektronen terugverstrooien naar de tegenovergestelde reizende toestand door de elektronenspins te mengen; hoe meer goud er wordt toegevoegd, hoe meer de weerstand stijgt.

Dit onderzoek vertegenwoordigt "een nieuwe richting" in topologische isolatoren, zegt Jong. "We weten niet echt waar het toe kan leiden, maar het opent ons denken over het soort elektrische apparaten dat we kunnen maken."

De experimenten vereisten het gebruik van een magnetisch veld met een sterkte van 35 tesla - "ongeveer 10 keer meer dan in een MRI-machine, " zegt Jarillo-Herrero - en een temperatuur van slechts 0,3 graden Celsius boven het absolute nulpunt. het team zoekt al naar manieren om een ​​soortgelijk effect waar te nemen bij magnetische velden van slechts één tesla - vergelijkbaar met een sterke keukenmagneet - en bij hogere temperaturen.

Filip Kim, een professor in de natuurkunde aan de Columbia University die niet betrokken was bij dit werk, zegt, "De auteurs hier hebben op prachtige wijze een uitstekende kwantificering van de geleiding aangetoond, " zoals voorspeld door de theorie. Hij voegt eraan toe, "Dit is heel mooi werk dat topologische isolatorfysica kan verbinden met de fysica van grafeen met interacties. Dit werk is een goed voorbeeld hoe de twee meest populaire onderwerpen in de fysica van de gecondenseerde materie met elkaar verbonden zijn."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.