grafen, ett ark av kol endast en enda atom tjockt, var föremål för teoretisk spekulation långt innan det faktiskt gjordes. Teorin förutsäger extraordinära egenskaper för grafen, men att testa förutsägelserna mot experimentella resultat är ofta utmanande.

Nu har forskare som använder Advanced Light Source (ALS) vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tagit ett viktigt steg mot att bekräfta att grafen är precis så ovanligt som förväntat – kanske ännu mer.

"Grafen är inte en halvledare, inte en isolator, och inte en metall, säger David Siegel, huvudförfattaren till en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) rapporterar forskargruppens resultat. "Det är en speciell typ av halvmetall, med elektroniska egenskaper som är ännu mer intressanta än man kan misstänka vid första anblicken."

Siegel är doktorand vid Berkeley Labs Materials Sciences Division (MSD) och medlem av Alessandra Lanzaras grupp vid Institutionen för fysik vid University of California i Berkeley. Han och hans kollegor använde ALS beamline 12.0.1 för att sondera ett speciellt framställt grafenprov med ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy) för att kunna observera hur odopad grafen – det inre materialet utan extra laddningsbärare – beter sig nära s.k. "Dirac punkt."

Dirac-spetsen är en unik egenskap hos grafens bandstruktur. Till skillnad från bandstrukturen för halvledare, till exempel, grafen har inget bandgap – inget gap i energi mellan det elektronfyllda valensbandet och det lediga ledningsbandet. I grafen representeras dessa band av två koner ("Dirac-koner") vars punkter berör, korsar linjärt vid Dirac-punkten. När valensbandet för grafen är helt fyllt och ledningsbandet är helt tomt, grafenen kan betraktas som "odopad" eller "laddningsneutral", " och det är här som några av de intressanta egenskaperna hos grafen kan observeras.

Ett ARPES-experiment mäter snyggt en skiva genom konerna genom att direkt plotta den kinetiska energin och vinkeln för elektroner som flyger ut ur grafenprovet när de exciteras av en röntgenstråle från ALS. Ett spektrum utvecklas när dessa emitterade elektroner träffar detektorns skärm, gradvis bygga upp en bild av konen.

Det sätt på vilket elektronerna interagerar i odopad grafen skiljer sig markant från det i en metall:sidorna av konen (eller benen på X, i ett ARPES-spektrum) utveckla en distinkt inåtriktad krökning, vilket indikerar att elektroniska interaktioner sker på allt längre avstånd – avstånd på upp till 790 ångström från varandra – och leder till högre elektronhastigheter. Dessa är ovanliga manifestationer, aldrig sett tidigare, av ett utbrett fenomen som kallas "renormalisering".

Experiment kontra teori

För att förstå betydelsen av teamets resultat, det hjälper att börja med deras experimentella upplägg. Helst mätningar av odopad grafen skulle göras med ett upphängt ark av fristående grafen. Men många experiment kan inte göras om inte målet vilar på ett fast underlag, som kan påverka skiktets elektroniska egenskaper på ytan och störa experimentet.

Så Siegel och hans kollegor bestämde sig för att undersöka en speciell sorts "kvasi-fristående" grafen, börjar med ett substrat av kiselkarbid. Vid uppvärmning, kislet drivs ut ur kiselkarbiden och kol samlas på ytan som ett relativt tjockt lager av grafit (den sorts kol i blyerts). Men intilliggande lager av grafen i det tjocka grafitprovet roteras i förhållande till varandra, så att varje lager i stapeln beter sig som ett enda isolerat lager.

"Inom fasta tillståndets fysik är en av de mest grundläggande frågorna man kan ställa om ett material arten av dess laddningsbärare, " säger Siegel. "För vanliga metaller, svaret kan beskrivas av den mest kraftfulla teorin om fasta ämnen, känd som Landaus Fermi-vätsketeori, " efter den sovjetiske fysikern Lev Landau och den italienske och naturaliserade-amerikanske fysikern Enrico Fermi.

Medan enskilda elektroner bär laddning – den elektriska strömmen i en koppartråd, till exempel – även i en metall kan de inte helt förstås som enkla, oberoende partiklar. Eftersom de ständigt interagerar med andra partiklar, effekterna av interaktionerna måste inkluderas; elektroner och interaktioner tillsammans kan ses som "kvasipartiklar, " som beter sig ungefär som fria elektroner men med olika massor och hastigheter. Dessa skillnader härleds genom den matematiska processen som kallas renormalisering.

Landaus Fermi-vätska består av kvasipartiklar. Förutom att beskriva egenskaper hos elektroner plus interaktioner, Fermi-vätskor har ett antal andra karakteristiska egenskaper, och i de flesta material har teorin i allmänhet samma form. Det gäller att laddningsbärare är "klädda" av många kroppsinteraktioner, som också tjänar till att avskärma elektroner och förhindra eller minska deras interaktioner på längre avstånd.

"Eftersom egenskaperna hos så många material är ganska lika på ett generaliserat sätt, fysiker är alltid intresserade av att hitta system som skiljer sig från en vanlig Fermi-vätska, " säger Siegel. "Det här är vad som gör våra resultat så spännande. Odopad grafen skiljer sig verkligen från vad vi förväntar oss för en normal Fermi-vätska, och våra resultat stämmer väl överens med teoretiska beräkningar."

Det kanske mest levande exemplet på skillnaden är den långväga interaktionen mellan elektroner i semimetallisk grafen, interaktioner som skulle screenas i en normal metall. Siegel medger att det kan finnas fortsatta kontroverser om hur exakt grafen ska förväntas bete sig, "men vårt huvudresultat är att vi har bekräftat förekomsten av dessa okontrollerade, långväga interaktioner, som förändrar beteendet hos kvasipartiklar i grafen på ett grundläggande sätt."