Een eenvoudig vel grafeen heeft opmerkelijke eigenschappen vanwege een kwantumfenomeen in zijn elektronenstructuur genaamd Dirac-kegels. Het systeem wordt nog interessanter als het bestaat uit twee over elkaar liggende grafeenplaten, en één is heel licht gedraaid in zijn eigen vlak zodat de gaten in de twee koolstofroosters niet meer volledig samenvallen. Voor specifieke draaihoeken, het dubbellaagse grafeensysteem vertoont exotische eigenschappen zoals supergeleiding.

Een nieuwe studie uitgevoerd door de Braziliaanse natuurkundige Aline Ramires met Jose Lado, een in Spanje geboren onderzoeker aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH Zürich), toont aan dat de toepassing van een elektrisch veld op een dergelijk systeem een ​​effect produceert dat identiek is aan dat van een extreem intens magnetisch veld dat wordt aangelegd op twee uitgelijnde grafeenplaten.

Een artikel over het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Het is ook beschikbaar op het arXiv pre-publishing platform.

"Ik heb de analyse uitgevoerd, en het werd computationeel geverifieerd door Lado, Ramires zei. "Het maakt het mogelijk om de elektronische eigenschappen van grafeen te regelen door middel van elektrische velden, het genereren van kunstmatige maar effectieve magnetische velden met veel grotere magnitudes dan die van de echte magnetische velden die kunnen worden toegepast."

De twee grafeenplaten moeten dicht genoeg bij elkaar liggen zodat de elektronische orbitalen van de ene kunnen interageren met de elektronische orbitalen van de andere, ze legde uit. Dit betekent een scheiding zo dichtbij als ongeveer één angstrom (10-10 meter of 0,1 nanometer), dat is de afstand tussen twee koolstofatomen in grafeen.

Een andere vereiste is een kleine draaihoek voor elk vel in vergelijking met het andere - minder dan één graad. Hoewel volledig theoretisch, de studie heeft een duidelijk technologisch potentieel, omdat het laat zien dat een veelzijdig materiaal zoals grafeen kan worden gemanipuleerd in tot nu toe onontgonnen regimes.

"De eerder voorgestelde kunstmatige magnetische velden waren gebaseerd op het uitoefenen van krachten om het materiaal te vervormen. Ons voorstel maakt het mogelijk om het genereren van deze velden met veel grotere precisie te regelen. Dit zou praktische toepassingen kunnen hebben, ' zei Ramires.

De exotische toestanden van materie veroorzaakt door kunstmatige magnetische velden worden geassocieerd met het verschijnen van "pseudo-Landau-niveaus" in grafeenplaten. Landau-niveaus - genoemd naar de Sovjet-fysicus en wiskundige Lev Landau (1908-1968), Nobelprijswinnaar in de natuurkunde in 1962 - zijn een kwantumfenomeen waarbij in aanwezigheid van een magnetisch veld, elektrisch geladen deeltjes kunnen alleen banen innemen met discrete energiewaarden. Het aantal elektronen in elk Landau-niveau is recht evenredig met de grootte van het aangelegde magnetische veld.

"Deze toestanden zijn goed gelokaliseerd in de ruimte; wanneer deeltjes op deze niveaus op elkaar inwerken, de interacties zijn veel intenser dan normaal. De vorming van pseudo-Landau-niveaus verklaart waarom kunstmatige magnetische velden exotische eigenschappen zoals supergeleiding of spinvloeistoffen in het materiaal doen verschijnen, ' zei Ramires.