Een team van Graphene Flagship-onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Manchester meldde in het tijdschrift: Wetenschap toont het eerste nieuwe type kwantumoscillatie dat in dertig jaar wordt gerapporteerd. Dit gebeurt door het aanleggen van een magnetisch veld en het is de eerste in zijn soort die aanwezig is bij hoge temperatuur en op de mesoschaal. Dit onderzoek werpt ook licht op het fenomeen Hofstadter vlinder.

Kwantumtheorie is de studie van de natuurkunde op atomair en subatomair niveau. Het kwantificeert energie en momentum en laat zien hoe objecten worden gekarakteriseerd als zowel deeltjes als golven. Met kwantumoscillaties kunnen de eigenschappen van nieuwe materialen in de aanwezigheid van een magnetisch veld in kaart worden gebracht. Dit artikel laat zien hoe het mogelijk is om het magnetische veld dat wordt toegepast op een heterostructuur die uit grafeen en boornitride bestaat, af te stemmen om een ​​hele reeks verschillende elektronische materialen te creëren.

het superrooster, gemaakt in grafeen door zijn exacte plaatsing met betrekking tot een periodiek gerangschikte boornitride-laag, interageert op een zodanige manier met het magnetische veld dat het mogelijk is om de oscillatie ervan af te stemmen om banden en gaten in de elektronische structuur te maken - wat betekent dat het magnetische veld kan worden gebruikt om de materialen af ​​​​te stemmen om metallisch te zijn, halfgeleidend of geleidend.

André Geim, een vooraanstaand lid van het team en de Nobelprijswinnaar van 2010, zegt:"Oscillerende kwantumeffecten bieden altijd mijlpalen in ons begrip van materiaaleigenschappen. Ze zijn buitengewoon zeldzaam. Het is meer dan 30 jaar geleden dat een nieuw type kwantumoscillatie werd gemeld." Hij voegde eraan toe:"Onze oscillaties onderscheiden zich door hun extreme robuustheid, gebeurt onder omgevingsomstandigheden in gemakkelijk toegankelijke magnetische velden."

Dit werk werpt ook meer licht op de vlinder van Hofstadter, een fractaal patroon dat het gedrag van elektronen in een magnetisch veld beschrijft, voor het eerst experimenteel gemeten in 2013 met behulp van een grafeen- en boornitride-heterostructuur. In het oorspronkelijke theoretische werk waarop de vlinder van Hofstadter is gebaseerd, werden de elektronen die werden gemodelleerd om het fractale patroon te creëren, behandeld als Bloch-elektronen (elektronen die geen interactie met elkaar hebben en bewegen binnen een periodiek elektrisch potentiaal binnen een rooster). Het hier getoonde onderzoek illustreert hoe deze complexe fractale patronen kunnen worden gezien als Langmuir-kwantisatie, wat de kwantisatie van cyclotronbanen is (waarbij normaal gesproken wordt gedacht aan een cirkelvormige baan en deze in plaats daarvan als lineair wordt beschouwd)

Professor Vladimir Falko, Directeur van het National Graphene Institute merkte op:"Ons werk helpt bij het demystificeren van de Hofstadter-vlinder. De complexe fractale structuur van het Hofstadter-vlinderspectrum kan worden begrepen als eenvoudige Landau-kwantisatie in de opeenvolging van nieuwe metalen gecreëerd door een magnetisch veld."

Professor Bart van Wees, Hoofd van de groep Physics of Nanodevices bij het Zernike Institute for Advanced Materials, Groningen, Nederland voegde toe:"We hebben kwantumoscillaties altijd als zeer broos beschouwd, gemakkelijk vernietigd bij hogere temperaturen, maar de auteurs hebben aangetoond dat deze nu bij kamertemperatuur kunnen worden waargenomen, of zelfs hoger. Dit is goed nieuws voor mogelijke nieuwe toepassingen van deze en andere systemen die gebaseerd zijn op Van der Waals stapeling van tweedimensionale materialen."