Een groep onderzoekers onder leiding van Sir Andre Geim en Dr. Alexey Berdyugin van de Universiteit van Manchester heeft een nieuwe familie van quasideeltjes genaamd 'Brown-Zak-fermionen' ontdekt en gekarakteriseerd in op grafeen gebaseerde superroosters.

Het team bereikte deze doorbraak door het atomaire rooster van een grafeenlaag af te stemmen op dat van een isolerende boornitrideplaat, de eigenschappen van de grafeenplaat drastisch veranderen.

De studie volgt jaren van opeenvolgende vorderingen in grafeen-boornitride superroosters die de observatie mogelijk maakten van een fractaal patroon dat bekend staat als de Hofstadter's vlinder - en vandaag (vrijdag, 13 november) rapporteren de onderzoekers nog een zeer verrassend gedrag van deeltjes in dergelijke structuren onder aangelegd magnetisch veld.

"Het is bekend, dat in een magnetisch veld nul, elektronen bewegen in rechte banen en als je een magnetisch veld aanbrengt, beginnen ze te buigen en in cirkels te bewegen", uitleggen Julien Barrier en Dr. Piranavan Kumaravadivel, die het experimentele werk heeft uitgevoerd.

"In een grafeenlaag die is uitgelijnd met het boornitride, elektronen beginnen ook te buigen, maar als je het magnetische veld op specifieke waarden instelt, de elektronen bewegen weer in rechte banen, alsof er geen magnetisch veld meer is!"

"Dergelijk gedrag is radicaal anders dan natuurkunde uit het leerboek." voegt Dr. Piranavan Kumaravadivel toe.

"We schrijven dit fascinerende gedrag toe aan de vorming van nieuwe quasideeltjes bij een hoog magnetisch veld, " zegt Dr. Alexey Berdyugin. "Die quasideeltjes hebben hun eigen unieke eigenschappen en uitzonderlijk hoge mobiliteit ondanks het extreem hoge magnetische veld."

Zoals gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het werk beschrijft hoe elektronen zich gedragen in een superrooster van ultrahoge kwaliteit van grafeen met een herzien raamwerk voor de fractale kenmerken van de Hofstadter's vlinder. Fundamentele verbeteringen in de fabricage van grafeenapparaten en meettechnieken in het afgelopen decennium hebben dit werk mogelijk gemaakt.

"Het concept van quasideeltjes is misschien wel een van de belangrijkste in de fysica van gecondenseerde materie en kwantum veeldeeltjessystemen. Het werd in de jaren veertig geïntroduceerd door de theoretisch fysicus Lev Landau om collectieve effecten weer te geven als een 'excitatie van één deeltje', " legt Julien Barrier uit. "Ze worden gebruikt in een aantal complexe systemen om de effecten van vele lichamen te verklaren."

Tot nu, het gedrag van collectieve elektronen in superroosters van grafeen werd gedacht in termen van het Dirac-fermion, een quasideeltje dat unieke eigenschappen heeft die lijken op fotonen (deeltjes zonder massa), die repliceren bij hoge magnetische velden. Echter, dit hield geen rekening met enkele experimentele functies, zoals de extra degeneratie van de staten, het kwam ook niet overeen met de eindige massa van het quasideeltje in deze toestand.

De auteurs stellen voor dat 'Brown-Zak-fermionen' de familie van quasideeltjes zijn die bestaan ​​in superroosters onder een hoog magnetisch veld. Dit wordt gekenmerkt door een nieuw kwantumgetal dat direct kan worden gemeten. interessant, door bij lagere temperaturen te werken, konden ze de degeneratie opheffen met uitwisselingsinteracties bij ultralage temperaturen.

"Onder de aanwezigheid van een magnetisch veld, elektronen in grafeen beginnen te roteren met gekwantiseerde banen. Voor Brown-Zak-fermionen, we zijn erin geslaagd om een ​​rechte baan van tientallen micrometers te herstellen onder hoge magnetische velden tot 16T (500, 000 keer het magnetisch veld van de aarde). Onder bepaalde voorwaarden, de ballistische quasideeltjes voelen geen effectief magnetisch veld, " verklaren Dr. Kumaravadivel en Dr. Berdyugin.

In een elektronisch systeem, de mobiliteit wordt gedefinieerd als het vermogen van een deeltje om te reizen bij het aanleggen van een elektrische stroom. Hoge mobiliteiten zijn lange tijd de heilige graal geweest bij het fabriceren van 2D-systemen zoals grafeen, omdat dergelijke materialen extra eigenschappen zouden hebben (geheel getal en fractionele quantum hall-effecten), en mogelijk de creatie van ultrahoge frequentietransistors mogelijk maken, de componenten in het hart van een computerprocessor.

"Voor deze studie hebben we grafeenapparaten gemaakt die extra groot zijn met een zeer hoge zuiverheidsgraad". zegt Dr. Kumaravadivel. Hierdoor konden we mobiliteiten van enkele miljoenen cm²/V's bereiken, wat betekent dat deeltjes recht door het hele apparaat zouden reizen zonder te verstrooien. belangrijk, dit was niet alleen het geval voor klassieke Dirac-fermionen in grafeen, maar ook gerealiseerd voor de Brown-Zak-fermionen die in het werk worden vermeld.

Deze Brown-Zak-fermionen definiëren nieuwe metaaltoestanden, die generiek zijn voor elk superroostersysteem, niet alleen grafeen en biedt een speelterrein voor nieuwe fysica-problemen met gecondenseerde materie in andere op 2D-materiaal gebaseerde superroosters.

Julien Barrier voegde toe:"De bevindingen zijn belangrijk, natuurlijk voor fundamentele studies in elektronentransport, maar we geloven dat het begrijpen van quasideeltjes in nieuwe superroosterapparaten onder hoge magnetische velden kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten."

De hoge mobiliteit betekent dat een transistor gemaakt van een dergelijk apparaat op hogere frequenties zou kunnen werken, waardoor een processor gemaakt van dit materiaal meer berekeningen per tijdseenheid kan uitvoeren, wat resulteert in een snellere computer. Het aanleggen van een magnetisch veld zou meestal de mobiliteit verminderen en een dergelijk apparaat onbruikbaar maken voor bepaalde toepassingen. De hoge mobiliteiten van Brown-Zak-fermionen bij hoge magnetische velden openen een nieuw perspectief voor elektronische apparaten die onder extreme omstandigheden werken.