Wetenschap
Kwantumelektronica:Lading reist als licht in dubbellaags grafeen
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Göttingen heeft experimenteel aangetoond dat elektronen in natuurlijk voorkomend dubbellaags grafeen bewegen als deeltjes zonder enige massa, op dezelfde manier als licht zich voortplant. Bovendien hebben ze aangetoond dat de stroom kan worden 'aan- en uitgeschakeld', wat de potentie heeft om kleine, energiezuinige transistors te ontwikkelen, zoals de lichtschakelaar in je huis, maar dan op nanoschaal.
Het Massachusetts Institute of Technology (MIT), VS, en het National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, waren ook bij het onderzoek betrokken. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications .
Grafeen werd in 2004 geïdentificeerd en bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Naast de vele ongebruikelijke eigenschappen staat grafeen bekend om zijn buitengewoon hoge elektrische geleidbaarheid als gevolg van de hoge en constante snelheid van elektronen die door dit materiaal reizen. Deze unieke eigenschap heeft wetenschappers doen dromen van het gebruik van grafeen voor veel snellere en energiezuinigere transistors.
De uitdaging was dat om een transistor te maken, het materiaal zo moet worden geregeld dat het naast zijn sterk geleidende toestand ook een sterk isolerende toestand heeft. In grafeen is een dergelijke ‘omschakeling’ in de snelheid van de drager echter niet eenvoudig te realiseren. In feite heeft grafeen meestal geen isolerende toestand, waardoor het potentieel van grafeen als transistor beperkt is.
Het team van de Universiteit van Göttingen heeft nu ontdekt dat twee grafeenlagen, zoals aangetroffen in de natuurlijk voorkomende vorm van dubbellaags grafeen, het beste van twee werelden combineren:een structuur die de verbazingwekkend snelle beweging ondersteunt van elektronen die bewegen als licht alsof ze geen massa, naast een isolerende toestand. De onderzoekers toonden aan dat deze toestand kan worden veranderd door een elektrisch veld aan te leggen dat loodrecht op het materiaal wordt aangelegd, waardoor het dubbellaagse grafeen isolerend wordt.
Deze eigenschap van snel bewegende elektronen was al in 2009 theoretisch voorspeld, maar er was een aanzienlijk verbeterde monsterkwaliteit voor nodig, zoals mijn door NIMS geleverde materialen mogelijk maakten, en een nauwe samenwerking op het gebied van de theorie met MIT, voordat het mogelijk was om dit experimenteel te identificeren. Hoewel deze experimenten werden uitgevoerd bij cryogene temperaturen (ongeveer 273° onder het vriespunt), tonen ze het potentieel aan van dubbellaags grafeen om zeer efficiënte transistors te maken.
"We waren ons al bewust van de theorie, maar nu hebben we experimenten uitgevoerd die daadwerkelijk de lichtachtige dispersie van elektronen in dubbellaags grafeen laten zien. Het was een heel spannend moment voor het hele team", zegt professor Thomas Weitz van Göttingen. Faculteit Natuurkunde van de universiteit.
Dr. Anna Seiler, postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur ook aan de Universiteit van Göttingen, voegt hieraan toe:“Ons werk is een eerste maar cruciale stap. De volgende stap voor onderzoekers zal zijn om te kijken of dubbellaags grafeen werkelijk transistors kan verbeteren of om te onderzoeken het potentieel van dit effect op andere technologische gebieden."