Kwantummechanica is het gebied van de fysica dat het gedrag van dingen op atomaire schalen regelt, waar dingen heel anders werken dan onze dagelijkse wereld.

Een van de meest directe manifestaties van de kwantummechanica is kwantisatie. Kwantisering resulteert in het discrete karakter van fysische eigenschappen op kleine schaal, wat de straal van een atoombaan of de weerstand van een moleculaire draad zou kunnen zijn. De meest bekende, waarmee Albert Einstein de Nobelprijs kreeg, is de kwantisering van de fotonenergie in het foto-elektrisch effect - de waarneming dat veel metalen elektronen uitzenden wanneer er licht op schijnt.

Kwantisatie vindt plaats wanneer een kwantumdeeltje is beperkt tot een kleine ruimte. De golffunctie ontwikkelt een staand golfpatroon, als golven in een kleine plas. Natuurkundigen spreken dan van groottekwantisatie:de energie van het deeltje mag alleen die waarden aannemen waarbij het knooppatroon van de staande golf overeenkomt met de systeemgrens.

Een opvallend gevolg van groottekwantisatie is gekwantiseerde conductantie:het aantal deeltjes dat tegelijkertijd een smalle gang kan doorkruisen, een zogenaamde nanoconstrictie, discreet worden. Dientengevolge is de stroom door een dergelijke vernauwing een geheel veelvoud van het geleidingsvermogen.

In een recent gezamenlijk experimenteel en theoretisch werk, een internationale groep natuurkundigen demonstreerde groottekwantisatie van ladingsdragers, d.w.z. gekwantiseerde geleiding in monsters van grafeen op nanoschaal. De resultaten zijn gepubliceerd in een artikel genaamd "Size quantization of Dirac fermions in grafeen constrictions" in Natuurcommunicatie .

Het hoogwaardige materiaal grafeen, een enkel-atomaire laag koolstof, ingebed in hexagonaal boornitride demonstreert ongebruikelijke fysica vanwege de hexagonale of honingraatsymmetrie van het rooster. Echter, het observeren van groottekwantisatie van ladingsdragers in grafeen-nanoconstricties heeft, tot nu, bleek ongrijpbaar vanwege de hoge gevoeligheid van de elektronengolf voor wanorde.

De onderzoekers toonden kwantisatie-effecten aan bij zeer lage temperaturen (vloeibaar helium), waar de invloed van thermische wanorde ophoudt. Deze nieuwe benadering - van het inkapselen van grafeenvernauwingen tussen lagen boornitride - zorgde voor uitzonderlijk schone monsters, en dus zeer nauwkeurige metingen.

Bij nul magnetisch veld, de gemeten stroom toont duidelijke handtekeningen van groottekwantisering, theoretische voorspellingen nauwgezet volgen. Voor het vergroten van het magnetische veld, deze structuren evolueren geleidelijk naar de Landau-niveaus van het kwantum Hall-effect.

"De hoge gevoeligheid van deze overgang naar verstrooiing aan de vernauwingsranden onthult onmisbare details over de rol van randverstrooiing in toekomstige grafeen-nano-elektronische apparaten, " zei Slava V. Rotkin, hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek aan de Lehigh University en co-auteur van de studie.