(Phys.org)—Individuele elektronen in grafeen zijn massaloos, maar als ze samen gaan, het is een ander verhaal. grafeen, een één-atoom dik koolstofblad, heeft de wereld van de natuurkunde stormenderhand veroverd - gedeeltelijk, omdat zijn elektronen zich gedragen als massaloze deeltjes. Toch lijken deze elektronen dubbele persoonlijkheden te hebben. Verschijnselen waargenomen op het gebied van grafeenplasmonica suggereren dat wanneer de elektronen collectief bewegen, ze moeten massa vertonen.

Na twee jaar van inspanning, onderzoekers onder leiding van Donhee Ham, Gordon McKay hoogleraar elektrotechniek en toegepaste natuurkunde aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en zijn leerling Hosang Yoon, Ph.D.'14, hebben met succes de collectieve massa van 'massaloze' elektronen in beweging in grafeen gemeten.

Door licht te werpen op de fundamentele kinetische eigenschappen van elektronen in grafeen, dit onderzoek kan ook een basis vormen voor het maken van geminiaturiseerde circuits met kleine, op grafeen gebaseerde componenten.

De resultaten van de complexe metingen van Ham en Yoon, uitgevoerd in samenwerking met andere experts van Columbia University en het National Institute for Materials Science in Japan, zijn online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Grafeen is een uniek materiaal omdat, effectief, individuele grafeenelektronen werken alsof ze geen massa hebben. Dat betekent dat de individuele elektronen altijd met een constante snelheid bewegen, " legt Cham uit. "Maar stel dat we een kracht uitoefenen, als een elektrisch veld. De snelheid van de individuele elektronen blijft nog steeds constant, maar gezamenlijk, ze versnellen en hun totale energie neemt toe - net als entiteiten met massa. Het is best interessant."

Zonder deze massa, het veld van grafeenplasmonica kan niet werken, dus Hams team wist dat het daar moest zijn, maar tot nu toe, niemand had het nauwkeurig gemeten.

"Een van de grootste bijdragen van dit werk is dat het eigenlijk een extreem moeilijke meting is, " zegt Ham.

Zoals de tweede wet van Newton dicteert, een kracht die op een massa wordt uitgeoefend, moet versnelling genereren. Yoon en Ham wisten dat als ze een elektrisch veld konden toepassen op een grafeenmonster en de resulterende collectieve versnelling van de elektronen konden meten, ze zouden die gegevens vervolgens kunnen gebruiken om de collectieve massa te berekenen.

Maar de grafeenmonsters die in eerdere experimenten werden gebruikt, zaten vol met onvolkomenheden en onzuiverheden - plaatsen waar een koolstofatoom ontbrak of was vervangen door iets anders. In die eerdere experimenten, elektronen zouden versnellen, maar zeer snel verstrooien als ze in botsing kwamen met de onzuiverheden en onvolkomenheden.

"De verstrooiingstijd was zo kort in die onderzoeken dat je de versnelling nooit direct kon zien, " zegt Ham.

Om het verstrooiingsprobleem op te lossen, er waren een aantal slimme veranderingen nodig.

Eerst, Ham en Yoon bundelden hun krachten met Philip Kim, een natuurkundeprofessor aan Columbia die op 1 juli als hoogleraar Natuurkunde en Toegepaste Natuurkunde aan de faculteit van Harvard gaat werken. Afgestudeerd aan Harvard (Ph.D. '99), Kim staat bekend om zijn baanbrekende fundamentele studies van grafeen en zijn expertise in het vervaardigen van hoogwaardige grafeenmonsters. Het team was nu in staat om het aantal onzuiverheden en onvolkomenheden te verminderen door het grafeen tussen lagen hexagonaal boornitride te plaatsen, een isolerend materiaal met een vergelijkbare atomaire structuur. Door ook samen te werken met James Hone, een professor in werktuigbouwkunde aan Columbia, ze ontwierpen een betere manier om elektrische signaallijnen aan te sluiten op het ingeklemde grafeen. En Yoon en Ham pasten een elektrisch veld toe met een microgolffrequentie, wat de directe meting van de collectieve versnelling van de elektronen mogelijk maakt in de vorm van een fasevertraging in de stroom.

"Door dit alles te doen, we hebben de situatie vertaald van volledig onmogelijk naar op het punt staan ​​de versnelling te zien of niet, "zegt Cham. "Echter, de moeilijkheid was nog steeds erg ontmoedigend, en Hosang [Yoon] maakten het allemaal mogelijk door zeer fijne en subtiele microgolftechniek en metingen uit te voeren - een formidabel stuk experimenteren."

"Naar mij, het was een zegevierend moment dat uiteindelijk een langdurige inspanning rechtvaardigde, door meerdere proeven en fouten gaan, " zegt Yoon, hoofdauteur van het artikel in Natuur Nanotechnologie . "Tot dan, Ik wist niet eens zeker of het experiment echt mogelijk zou zijn, dus het was als een 'door de duisternis komt het licht' moment."

Collectieve massa is een belangrijk aspect van het verklaren van plasmonisch gedrag in grafeen. Door aan te tonen dat grafeenelektronen een collectieve massa vertonen en door de waarde ervan nauwkeurig te meten, Yoon zegt, "We denken dat het mensen zal helpen om meer geavanceerde plasmonische apparaten met grafeen te begrijpen en te ontwerpen."

De experimenten van het team onthulden ook dat, in grafeen, kinetische inductantie (de elektrische manifestatie van collectieve massa) is enkele ordes van grootte groter dan een andere, veel vaker geëxploiteerde eigenschap genaamd magnetische inductantie. Dit is belangrijk in het streven naar kleinere en kleinere elektronische schakelingen - het hoofdthema van moderne geïntegreerde schakelingen - omdat dit betekent dat hetzelfde niveau van inductantie kan worden bereikt in een veel kleiner gebied. Verder, Ham en Yoon zeggen dat deze miniatuur op grafeen gebaseerde kinetische inductor de creatie van een solid-state spanningsgestuurde inductor mogelijk zou maken, complementair aan de veelgebruikte spanningsgestuurde condensator. Het zou kunnen worden gebruikt om het frequentie-afstembereik van elektronische schakelingen aanzienlijk te vergroten, wat een belangrijke functie is in communicatietoepassingen.

Voor nu, de uitdaging blijft om de kwaliteit van grafeenmonsters te verbeteren, zodat de schadelijke effecten van elektronenverstrooiing verder kunnen worden verminderd.