Een team van onderzoekers van de Universiteiten van Manchester, Nottingham en Loughborough hebben een kwantumfenomeen ontdekt dat helpt om de fundamentele grenzen van grafeenelektronica te begrijpen.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het werk beschrijft hoe elektronen in een enkele atomair dunne laag grafeen zich verspreiden van de trillende koolstofatomen die het hexagonale kristalrooster vormen.

Door een magnetisch veld loodrecht op het vlak van grafeen aan te leggen, de stroomvoerende elektronen worden gedwongen in gesloten cirkelvormige "cyclotron"-banen te bewegen. In puur grafeen, de enige manier waarop een elektron uit deze baan kan ontsnappen, is door tijdens een verstrooiingsgebeurtenis van een "fonon" te stuiteren. Deze fononen zijn deeltjesachtige bundels van energie en momentum en zijn de "quanta" van de geluidsgolven die samenhangen met het trillende koolstofatoom. De fononen worden in toenemende aantallen gegenereerd wanneer het grafeenkristal wordt opgewarmd vanaf zeer lage temperaturen.

Door een kleine elektrische stroom door de grafeenplaat te leiden, het team was in staat om precies de hoeveelheid energie en momentum te meten die wordt overgedragen tussen een elektron en een fonon tijdens een verstrooiingsgebeurtenis.

Hun experiment onthulde dat twee soorten fononen de elektronen verstrooien:transversale akoestische (TA) fononen waarin de koolstofatomen loodrecht trillen op de richting van fononvoortplanting en golfbeweging (enigszins analoog aan oppervlaktegolven op water) en longitudinale akoestische (LA) fononen waarin de koolstofatomen heen en weer trillen in de richting van de fonon en de golfbeweging; (deze beweging is enigszins analoog aan de beweging van geluidsgolven door de lucht).

De metingen geven een zeer nauwkeurige meting van de snelheid van beide soorten fononen, een meting die anders moeilijk te maken is in het geval van een enkele atomaire laag. Een belangrijke uitkomst van de experimenten is de ontdekking dat TA-fononverstrooiing domineert boven LA-fononverstrooiing.

Het waargenomen fenomeen, gewoonlijk aangeduid als magnetophonon-oscillatie, werd jaren vóór de ontdekking van grafeen in veel halfgeleiders gemeten. Het is een van de oudste kwantumtransportfenomenen die al meer dan 50 jaar bekend zijn, daterend van vóór het kwantum Hall-effect. Terwijl grafeen een aantal nieuwe, exotische elektronische eigenschappen, dit nogal fundamentele fenomeen is verborgen gebleven.

Laurence Eaves &Roshan Krishna Kumar, co-auteurs van het werk zeiden:"We waren aangenaam verrast om zulke prominente magnetophonon-oscillaties in grafeen te zien verschijnen. We waren ook verbaasd waarom mensen ze niet eerder hadden gezien, gezien de uitgebreide hoeveelheid literatuur over kwantumtransport in grafeen."

Hun uiterlijk vereist twee belangrijke ingrediënten. Eerst, het team moest grafeentransistors van hoge kwaliteit fabriceren met grote oppervlakken bij het National Graphene Institute. Als de afmetingen van het apparaat kleiner zijn dan enkele micrometers, zouden de verschijnselen niet kunnen worden waargenomen.

Piranavan Kumaravadivel van de Universiteit van Manchester, hoofdauteur van het artikel zei:"Aan het begin van kwantumtransportexperimenten, mensen bestudeerden macroscopisch, millimeter grote kristallen. In het meeste werk over kwantumtransport op grafeen, de onderzochte apparaten zijn meestal slechts enkele micrometers groot. Het lijkt erop dat het maken van grotere grafeenapparaten niet alleen belangrijk is voor toepassingen, maar nu ook voor fundamentele studies."

Het tweede ingrediënt is temperatuur. De meeste grafeen-quantumtransportexperimenten worden uitgevoerd bij ultrakoude temperaturen om de trillende koolstofatomen te vertragen en de fononen die gewoonlijk de kwantumcoherentie verbreken, te "bevriezen". Daarom, het grafeen wordt opgewarmd omdat de fononen actief moeten zijn om het effect te veroorzaken.

Mark Groenweg, van de Loughborough-universiteit, die aan de kwantumtheorie van dit effect werkte, zei, "Dit resultaat is buitengewoon opwindend - het opent een nieuwe route om de eigenschappen van fononen in tweedimensionale kristallen en hun heterostructuren te onderzoeken. Dit zal ons in staat stellen om de elektron-fonon-interacties in deze veelbelovende materialen beter te begrijpen, inzicht dat essentieel is om ze te ontwikkelen voor gebruik in nieuwe apparaten en toepassingen."