De wet van Ohm is bekend uit de natuurkundeles. Het stelt dat de weerstand van een geleider en de spanning die erop wordt toegepast bepalen hoeveel stroom door de geleider zal vloeien. De elektronen in het materiaal - de negatief geladen dragers - bewegen ongeordend en grotendeels onafhankelijk van elkaar. Natuurkundigen vinden het veel interessanter, echter, wanneer de ladingsdragers elkaar sterk genoeg beïnvloeden om dat simpele plaatje niet meer te kloppen.

Dit is het geval, bijvoorbeeld, in "Twisted Bilayer Graphene, " die een paar jaar geleden werd ontdekt. ​​Dat materiaal is gemaakt van twee flinterdunne grafeenlagen die elk bestaan ​​uit een enkele laag koolstofatomen. Als twee aangrenzende lagen een beetje gedraaid zijn ten opzichte van elkaar, de elektronen kunnen zodanig worden beïnvloed dat ze sterk met elkaar interageren. Als gevolg hiervan, het materiaal kan, bijvoorbeeld, supergeleidend worden en dus stroomloos geleiden.

Een team van onderzoekers onder leiding van Klaus Ensslin en Thomas Ihn van het Laboratory for Solid State Physics aan de ETH Zürich, samen met collega's van de Universiteit van Texas in Austin (VS), heeft nu een nieuwe toestand waargenomen in gedraaide dubbele lagen grafeen. In die staat, negatief geladen elektronen en positief geladen zogenaamde gaten, die ontbrekende elektronen in het materiaal, zijn zo sterk met elkaar gecorreleerd dat het materiaal geen elektrische stroom meer geleidt.

Gedraaide grafeenlagen

"Bij conventionele experimenten, waarin grafeenlagen ongeveer één graad gedraaid zijn ten opzichte van elkaar, de mobiliteit van de elektronen wordt beïnvloed door kwantummechanische tunneling tussen de lagen, " legt Peter Rickhaus uit, een postdoc en hoofdauteur van de studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap . "In ons nieuwe experiment daarentegen, we draaien twee dubbele lagen grafeen meer dan twee graden ten opzichte van elkaar, zodat elektronen in wezen niet langer tussen de dubbele lagen kunnen tunnelen."

Verhoogde weerstand door koppeling

Als een resultaat hiervan, door een elektrisch veld aan te leggen, in de ene dubbele laag kunnen elektronen ontstaan ​​en in de andere gaten. Zowel elektronen als gaten kunnen elektrische stroom geleiden. Daarom, je zou verwachten dat de twee dubbele grafeenlagen samen een nog betere geleider vormen met een kleinere weerstand.

Onder bepaalde omstandigheden, echter, precies het tegenovergestelde kan gebeuren, als Folkert de Vries, een postdoc in het team van Ensslin, legt uit:"Als we het elektrische veld zo aanpassen dat we hetzelfde aantal elektronen en gaten in de dubbele lagen hebben, de weerstand neemt plotseling sterk toe." Gedurende enkele weken konden Ensslin en zijn medewerkers dat verrassende resultaat niet begrijpen, maar uiteindelijk gaf hun theorie-collega Allan H. MacDonald uit Austin hen een beslissende hint:Volgens MacDonald, ze hadden een nieuw soort dichtheidsgolf waargenomen.

Zogenaamde ladingsdichtheidsgolven ontstaan ​​meestal in eendimensionale geleiders wanneer de elektronen in het materiaal collectief elektrische stroom geleiden en zich ook ruimtelijk in golven rangschikken. In het experiment uitgevoerd door de ETH-onderzoekers, het zijn nu de elektronen en gaten die met elkaar paren door elektrostatische aantrekking en zo een collectieve dichtheidsgolf vormen. Die dichtheidsgolf, echter, bestaat nu uit elektrisch neutrale elektron-gatparen, zodat de twee dubbele lagen samen geen elektrische stroom meer kunnen geleiden.

Nieuwe gecorreleerde status

"Dat is een volledig nieuwe gecorreleerde toestand van elektronen en gaten die geen totale lading heeft, ", zegt Ensslin. "Deze neutrale staat kan, hoe dan ook, informatie doorgeven of warmte geleiden. Bovendien, het bijzondere is dat we het volledig kunnen beheersen door de draaihoek en de aangelegde spanning." Soortgelijke toestanden zijn waargenomen in andere materialen waarin elektron-gatparen (ook bekend als excitonen) worden gecreëerd door excitatie met laserlicht. het experiment bij ETH, echter, de elektronen en gaten zijn in hun grondtoestand, of staat van laagste energie, wat betekent dat hun levensduur niet wordt beperkt door spontaan verval.

Mogelijke toepassing in kwantumtechnologieën

Ensslin, die gespecialiseerd is in het onderzoek naar de elektronische eigenschappen van kleine kwantumsystemen, speculeert al over mogelijke praktische toepassingen voor de nieuwe gecorreleerde staat. Echter, dit zal behoorlijk wat voorbereidend werk vergen. Je zou de elektron-gat-paren kunnen vangen, bijvoorbeeld in een (Fabry-Pérot) resonator. Dat is veeleisend, aangezien neutrale deeltjes niet direct kunnen worden gecontroleerd, bijvoorbeeld met behulp van elektrische velden. Het feit dat de staat elektrisch neutraal is, kan, anderzijds, blijken een voordeel te zijn:het kan worden benut om kwantumgeheugens minder gevoelig te maken voor elektrische veldruis.