Elektronen in grafeen - een atomair dun, flexibele en ongelooflijk sterke substantie die tot de verbeelding spreekt van zowel materiaalwetenschappers als natuurkundigen - bewegen met de snelheid van het licht, en gedragen zich alsof ze geen massa hebben. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de Washington University in St. Louis hebben aangetoond hoe interacties tussen veel deeltjes in grafeen kunnen worden bekeken met behulp van infrarood licht. Het onderzoek wordt deze week gepresenteerd op de American Physical Society-bijeenkomst in Los Angeles.

Diep in de kelder onder de historische Crow Hall van Washington University, een onderzoeksteam onder leiding van Erik Henriksen, universitair docent natuurkunde in Arts &Sciences, voert zijn werkzaamheden uit in een custom-built vaartuig gekoeld tot enkele graden boven het absolute nulpunt. Ze gebruiken een klein stukje grafeen dat is ingeklemd tussen twee boornitridekristallen en bovenop een siliciumwafel is geplaatst; met een lengte van ongeveer 16 micron, de hele stapel materiaal is minder dan een zesde van de grootte van een mensenhaar.

"Hier hebben we een systeem geconstrueerd dat infrarood licht nauw focust tot op het monster, die zich in een grote magneet en op zeer lage temperatuur bevindt, "Zei Henriksen. "Het stelt ons in staat om er letterlijk een zaklamp op te laten schijnen, en de elektronische eigenschappen ervan onderzoeken door te kijken welke kleuren licht worden geabsorbeerd."

Grafeen heeft veel opwinding veroorzaakt in de onderzoeksgemeenschap op het gebied van materiaalkunde vanwege de mogelijke toepassingen in batterijen, zonne-energie cellen, touchscreens en meer. Maar natuurkundigen zijn meer geïnteresseerd in grafeen vanwege de ongebruikelijke elektronenstructuur, waaronder zijn elektronen zich gedragen als relativistische deeltjes.

Onder normale omstandigheden, elektronen stoten elkaar altijd onderling af. Henriksen en zijn team bestuderen hoe dit gedrag verandert als de elektronen geen massa lijken te hebben.

Door gelijktijdige metingen van optische en elektronische eigenschappen te verzamelen in aanwezigheid van een hoog magnetisch veld, de onderzoekers waren in staat om de beweging van geladen deeltjes tussen banen te volgen met discrete energiewaarden, Landau-niveaus genoemd. Er begon een patroon te ontstaan.

"Een sterk magnetisch veld geeft een soort lijm aan hun beweging - het vertraagt ​​ze op een bepaalde manier, "Zei Henriksen. "Je zou denken dat het een heel moeilijk systeem zou zijn om naar te kijken. Maar soms, bij zeer specifieke bereiken van de magnetische veldsterkte en de interactiesterkte, dat vind je, plotseling, het systeem vereenvoudigt enorm."

"Je zou een vlakke lijn verwachten, eigenlijk, bij afwezigheid van deze interessante interacties waarnaar we op zoek zijn, " zei Jordan Russell, een promovendus in de natuurkunde en co-auteur van een nieuw artikel over grafeen. "Dit niet-monotone gedrag is een kenmerk van de interacties waarnaar we op zoek waren."

De maart-bijeenkomst van de American Physical Society zal naar verwachting bijna 10, 000 fysici van de gecondenseerde materie. Ander recent werk uit Henriksen's lab zal ook worden tentoongesteld op dit forum, waaronder een recente ontdekking dat grafeen kan worden gebruikt om een ​​"quantum spin-vloeistof" in magnetische materialen te meten.