Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Göttingen heeft nieuwe kwantumeffecten ontdekt in zeer nauwkeurige studies van natuurlijk dubbellaags grafeen en heeft deze samen met de Universiteit van Texas in Dallas geïnterpreteerd met behulp van hun theoretische werk. Dit onderzoek levert nieuwe inzichten op in de interactie van de ladingsdragers en de verschillende fasen, en draagt ​​bij aan het begrip van de betrokken processen. De LMU in München en het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, waren ook betrokken bij het onderzoek. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature .

Het nieuwe materiaal grafeen, een flinterdun laagje koolstofatomen, werd voor het eerst ontdekt door een Brits onderzoeksteam in 2004. Naast andere ongebruikelijke eigenschappen staat grafeen bekend om zijn buitengewoon hoge elektrische geleidbaarheid. Als twee afzonderlijke grafeenlagen onder een zeer specifieke hoek ten opzichte van elkaar worden gedraaid, wordt het systeem zelfs supergeleidend (d.w.z. geleidt elektriciteit zonder enige weerstand) en vertoont het andere opwindende kwantumeffecten zoals magnetisme. De productie van dergelijke dubbellaagse gedraaide grafeenlagen heeft tot nu toe echter meer technische inspanning gevraagd.

Deze nieuwe studie gebruikte de natuurlijk voorkomende vorm van dubbellaags grafeen, waar geen complexe fabricage vereist is. In een eerste stap wordt het monster in het laboratorium met een eenvoudig plakband geïsoleerd uit een stuk grafiet. Om kwantummechanische effecten waar te nemen, paste het Göttingen-team vervolgens een hoog elektrisch veld toe loodrecht op het monster:de elektronische structuur van het systeem verandert en er vindt een sterke accumulatie van ladingsdragers met vergelijkbare energie plaats.

Bij temperaturen net boven het absolute nulpunt van min 273,15 graden Celsius kunnen de elektronen in het grafeen met elkaar interageren - en een verscheidenheid aan complexe kwantumfasen ontstaan ​​volledig onverwacht. De interacties zorgen er bijvoorbeeld voor dat de spins van de elektronen op één lijn komen te liggen, waardoor het materiaal magnetisch wordt zonder verdere invloeden van buitenaf. Door het elektrische veld te veranderen, kunnen onderzoekers de sterkte van de interacties van de ladingsdragers in het dubbellaagse grafeen continu veranderen. Onder bepaalde omstandigheden kunnen de elektronen zo beperkt zijn in hun bewegingsvrijheid dat ze hun eigen elektronenrooster vormen en door hun wederzijds afstotende interactie niet meer kunnen bijdragen aan het transporteren van lading. Het systeem is dan elektrisch isolerend.

"Toekomstig onderzoek kan zich nu richten op het onderzoeken van verdere kwantumtoestanden", zeggen professor Thomas Weitz en Ph.D. student Anna Seiler, Faculteit Natuurkunde aan de Universiteit van Göttingen. "Om toegang te krijgen tot andere toepassingen, bijvoorbeeld nieuwe computersystemen zoals kwantumcomputers, moeten onderzoekers uitzoeken hoe deze resultaten bij hogere temperaturen kunnen worden bereikt. Een groot voordeel van het huidige systeem dat in ons nieuwe onderzoek is ontwikkeld, ligt echter in de eenvoud van de fabricage van de materialen." + Verder verkennen

Nieuw kwantumeffect ontdekt in natuurlijk voorkomend grafeen