Onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD) hebben een baanbrekende ontdekking gedaan in grafeenonderzoek dat een testbed zou kunnen bieden om te begrijpen hoe elektronen bewegen in extreem hoge magnetische velden. Sinds de ontdekking in 2004, grafeen is een beroemdheid geworden in de wereld van materiaalwetenschap en natuurkunde vanwege zijn opmerkelijke fysieke eigenschappen.

Een van de dunste en sterkste materialen ooit gemaakt op aarde met ongelooflijke geleidbaarheid, grafeen is snel een van de meest veelzijdige materialen geworden die is ontdekt. Grafeen-gerelateerd onderzoek voedt momenteel potentieel revolutionaire nieuwe toepassingen in alles van snellere elektronica, draagbare technologie en slimme kleding voor betere energieopslag, sensoren en medische apparaten. En nu, werktuigbouwkundigen van de UMD hebben misschien een manier gevonden om het nog krachtiger te maken.

Afgestudeerd student Shuze Zhu en universitair hoofddocent Teng Li (externe link), samen met Joseph Stroscio, medewerker van het National Institute of Standards and Technology (NIST), hebben een theoretisch model ontwikkeld dat laat zien hoe grafeen gevormd en uitgerekt kan worden om een ​​krachtig, instelbare en duurzame magnetische kracht.

Wanneer uitgerekt, of gespannen, De elektronen van grafeen gedragen zich alsof ze zich in een sterk magnetisch veld bevinden. Dit zogenaamde pseudomagnetische effect zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen in grafeenelektronica, maar tot nu toe, onderzoekers zijn alleen in staat geweest om dergelijke pseudovelden te induceren die zeer gelokaliseerd zijn en bijzondere belastingscondities nodig hebben die in de praktijk onbetaalbaar zijn. Echter, Onderzoekers van Maryland hebben misschien uitgelegd hoe een grafeenlint moet worden gevormd, zodat eenvoudig aan de twee uiteinden wordt getrokken, een uniform pseudomagnetisch veld ontstaat. En met de huidige nanofabricagetechnologieën, het team heeft er alle vertrouwen in dat ze hun theoretische model binnenkort kunnen omzetten in een ontwerprealiteit.

"Onze bevindingen onthullen een gemakkelijke maar effectieve oplossing om een ​​extreem hoog pseudomagnetisch veld in een vlak grafeen te bereiken door een simpele rek, " zei onderzoeksleider universitair hoofddocent Teng Li.

In 2010, onderzoekers ontdekten per ongeluk dat bij het hanteren van een tweedimensionaal rooster van grafeen, een klein driehoekig, De vorm van een bubbel die in het materiaal werd gecreëerd, veroorzaakte een pseudomagnetisch veld in de kleine bubbel van wel 300 Tesla - veel meer dan wat kan worden bereikt met stabiele laboratoriummagneten. Het huidige record voor een in het laboratorium geproduceerd magnetisch veld is slechts 85 tesla gedurende minder dan een kleine fractie van een seconde.

Hoewel het eenvoudig genoeg lijkt om een ​​materiaal in twee richtingen uit te rekken - zoals trekken aan de uiteinden van een rubberen band - ontdekte het team dat het grafeenvel niet alleen uitgerekt moest worden, maar dat de plaat ook op een bepaalde manier gevormd moet worden. Een eenvoudige rechthoek of vierkant van grafeen, wanneer uitgerekt, geen pseudomagnetisch veld zou creëren.

Maar toen het grafeen een taps toelopende vorm kreeg, zoals een trapezium of wimpel, trekken aan de uiteinden produceert een spanning die gestaag toeneemt langs de lengte van het lint, en deze constante spanningsgradiënt geeft een uniform, en controleerbaar, pseudomagnetisch veld. En hoe meer spanning op het materiaal wordt uitgeoefend, hoe groter de magnetische kracht. Het teammodel, die werd geverifieerd in drie rekenmodellen, voorspelt een afstembare veldmagnitude van nul tot 200 Tesla.

Dit type gecontroleerd pseudomagnetisch veld creëert het potentieel voor nieuwe manieren om de beweging van elektronen in een controleerbaar hoog magnetisch veld te bestuderen. Momenteel, er is geen duurzame methode om magnetische velden van deze omvang op te wekken. De geïnduceerde velden zouden - als ze meer ruimtelijk uniform zouden worden gemaakt - mogelijk nieuwe concepten van elektronica mogelijk maken, zoals "valleytronica, " waarin elektronen scheiden tussen verschillende valleien in de grafeenbandstructuur.