(PhysOrg.com) -- Energibanden av komplexa partiklar som kallas plasmaroner har setts för första gången av forskare som arbetar med grafen vid den avancerade ljuskällan. Deras upptäckt kan påskynda dagen då dessa kristallina ark av kol med bara en atomtjocklek kan användas för att bygga ultrasnabba datorer och annan elektronisk, fotonisk, och plasmoniska enheter på nanoskala.

Forskare som arbetar vid Advanced Light Source (ALS) vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory har upptäckt slående nya detaljer om den elektroniska strukturen hos grafen, kristallina ark av kol bara en atom tjocka. Ett internationellt team ledd av Aaron Bostwick och Eli Rotenberg från ALS fann att kompositpartiklar som kallas plasmaroner spelar en viktig roll för att bestämma grafens egenskaper.

"Grafens intressanta egenskaper är alla kollektiva fenomen, säger Rotenberg, en ALS senior forskare ansvarig för det vetenskapliga programmet vid ALS strållinje 7, där arbetet utfördes. "Graphens sanna elektroniska struktur kan inte förstås utan att förstå de många komplexa interaktionerna mellan elektroner och andra partiklar."

De elektriska laddningsbärarna i grafen är negativa elektroner och positiva hål, som i sin tur påverkas av plasmoner – densitetssvängningar som rör sig som ljudvågor genom "vätskan" av alla elektroner i materialet. Ett plasmaron är en sammansatt partikel, en laddningsbärare kopplad till en plasmon.

"Även om plasmaroner föreslogs teoretiskt i slutet av 1960-talet, och indirekta bevis för dem har hittats, vårt arbete är den första observationen av deras distinkta energiband i grafen, eller faktiskt i vilket material som helst, säger Rotenberg.

Att förstå sambanden mellan dessa tre typer av partiklar – laddningsbärare, plasmoner, och plasmaroner – kan påskynda dagen då grafen kan användas för "plasmonics" för att bygga ultrasnabba datorer – kanske till och med rumstemperaturkvantdatorer – plus ett brett utbud av andra verktyg och applikationer.

Konstigt grafen blir främmare

"Graphene har inget bandgap, säger Bostwick, en forskare på beamline 7.0.1 och huvudförfattare till studien. "På det vanliga bandgapdiagrammet för neutral grafen, det fyllda valensbandet och det tomma ledningsbandet visas som två koner, som möts vid sina spetsar vid en punkt som kallas Dirac-korsningen."

Grafen är unikt genom att elektroner nära Dirac-korsningen rör sig som om de inte har någon massa, färdas med en betydande bråkdel av ljusets hastighet. Plasmoner kopplar direkt till dessa elementära laddningar. Deras frekvenser kan nå 100 biljoner cykler per sekund (100 terahertz, 100 THz) – mycket högre än frekvensen för konventionell elektronik i dagens datorer, som vanligtvis arbetar med ungefär några miljarder cykler per sekund (några gigahertz, GHz).

Plasmoner kan också exciteras av fotoner, ljuspartiklar, från externa källor. Fotonik är det område som inkluderar styrning och användning av ljus för informationsbehandling; plasmoner kan riktas genom kanaler som mäts på nanoskala (miljarddelar av en meter), mycket mindre än i konventionella fotoniska enheter.

Och eftersom tätheten hos grafens elektriska laddningsbärare lätt kan påverkas, det är enkelt att justera de elektroniska egenskaperna hos grafennanostrukturer. Av dessa och andra skäl, säger Bostwick, "grafen är en lovande kandidat för mycket mindre, mycket snabbare enheter – plasmoniska enheter i nanoskala som kombinerar elektronik och fotonik.”

Den vanliga bilden av grafens enkla koniska band är inte en fullständig beskrivning, dock; istället är det en idealiserad bild av "bara" elektroner. Inte bara interagerar elektroner (och hål) kontinuerligt med varandra och andra enheter, den traditionella band-gap-bilden misslyckas med att förutsäga de nyupptäckta plasmaronerna som avslöjats av Bostwick och hans medarbetare.

Teamet rapporterar sina resultat och diskuterar implikationerna i "Observationer av plasmaroner i kvasi-fristående dopad grafen, ” av Aaron Bostwick, Florian Speck, Thomas Seyller, Karsten Horn, Marco Polini, Reza Asgari, Allan H. MacDonald, och Eli Rotenberg, i numret av den 21 maj 2010 Vetenskap , tillgänglig online för prenumeranter.

Grafen är mest bekant som de enskilda lager som utgör grafit, blyertsformen av kol; Det som gör grafit mjuk och ett bra smörjmedel är att enatomslagren lätt glider över varandra, deras atomer starkt bundna i planet men svagt bundna mellan plan. Sedan 1980-talet, grafenark har rullats ihop till kolnanorör eller slutna buckyballsfäroider. Teoretiker tvivlade länge på att enstaka grafenark kunde existera om de inte staplades eller stängdes in i sig själva.

Sedan 2004 isolerades enstaka grafenark, och grafen har sedan använts i många experiment. Grafenark som är upphängda i vakuum fungerar inte för den typ av elektroniska studier som Bostwick och Rotenberg utför vid ALS beamline 7.0.1. De använder en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES); för ARPES, ytan på provet måste vara plan. Fristående grafen är sällan platt; i bästa fall liknar det ett skrynkligt lakan.

Använda elektroner för att rita bilder av kompositpartiklar

"Ett av de bästa sätten att odla ett platt ark av grafen är genom att värma en kristall av kiselkarbid, Rotenberg säger, ”och det händer att våra tyska kollegor Thomas Seyller från universitetet i Erlangen och Karsten Horn från Fritz Haber-institutet i Berlin är experter på att arbeta med kiselkarbid. När kislet drar sig tillbaka från ytan lämnar det ett enda kollager."

Med hjälp av platt grafen tillverkad på detta sätt, forskarna hoppades kunna studera grafens inneboende egenskaper med ARPES. Först frigör en stråle av mjuka röntgenstrålar från ALS elektroner från grafen (fotoemission). Sedan genom att mäta riktningen (vinkeln) och hastigheten för de emitterade elektronerna, experimentet återvinner sin energi och fart; spektrumet av de kumulativa emitterade elektronerna sänds direkt till en tvådimensionell detektor.

Resultatet är en bild av de elektroniska band som skapas av elektronerna själva. När det gäller grafen, bilden är x-formad, ett tvärsnitt genom de två koniska banden.

"Även i våra första experiment med grafen, vi misstänkte att ARPES-fördelningen inte var riktigt så enkel som tvåkonen, bar-elektron modell föreslagen, säger Rotenberg. "Vid låg upplösning verkade det vara en kink i banden vid Dirac-korsningen." För det finns verkligen inget sådant som en bar elektron, forskarna undrade om denna luddighet orsakades av laddningsbärare som släppte ut plasmoner.

"Men teoretiker tyckte att vi borde se ännu starkare effekter, säger Rotenberg, "Och så vi undrade om substratet påverkade fysiken. Ett enda lager av kolatomer som vilar på ett kiselkarbidsubstrat är inte detsamma som fristående grafen."

Kiselkarbidsubstratet skulle i princip kunna försvaga interaktionerna mellan laddningar i grafenet (på de flesta substrat är grafenens elektroniska egenskaper störda, och de plasmoniska effekterna kan inte observeras). Därför introducerade teamet väteatomer som band till den underliggande kiselkarbiden, isolera grafenskiktet från substratet och minska dess inflytande. Nu var grafenfilmen tillräckligt platt för att studera med ARPES men tillräckligt isolerad för att avslöja dess inneboende interaktioner.

Bilderna som erhålls av ARPES återspeglar faktiskt dynamiken i hålen som lämnats kvar efter fotoemission av elektronerna. Livslängden och massan av exciterade hål är starkt föremål för spridning från andra excitationer såsom fononer (vibrationer av atomerna i kristallgittret), eller genom att skapa nya elektron-hål-par.

"När det gäller grafen, elektronen kan lämna efter sig antingen ett vanligt hål eller ett hål bundet till en plasmon - en plasmaron, ” säger Rotenberg.

Tagen tillsammans, interaktionerna påverkade ARPES-spektrumet dramatiskt. When the researchers deposited potassium atoms atop the layer of carbon atoms to add extra electrons to the graphene, a detailed ARPES picture of the Dirac crossing region emerged. It revealed that the energy bands of graphene cross at three places, not one.

Ordinary holes have two conical bands that meet at a single point, just as in the bare-electron, non-interacting picture. But another pair of conical bands, the plasmaron bands, meets at a second, lower Dirac crossing. Between these crossings lies a ring where the hole and plasmaron bands cross.

“By their nature, plasmons couple strongly to photons, which promises new ways for manipulating light in nanostructures, giving rise to the field of plasmonics, ” Rotenberg says. “Now we know that plasmons couple strongly to the charge carriers in graphene, which suggests that graphene may have an important role to play in the merging fields of electronics, fotonik, and plasmonics on the nanoscale.”