Forskare vid Columbia Engineering, experter på att manipulera materia i nanoskala, har gjort ett viktigt genombrott inom fysik och materialvetenskap, nyligen rapporterat i Naturens nanoteknik . Arbetar med kollegor från Princeton och Purdue universitet och Istituto Italiano di Tecnologia, teamet har konstruerat "konstgjord grafen" genom att återskapa, för första gången, den elektroniska strukturen av grafen i en halvledarenhet.

"Denna milstolpe definierar en ny toppmodern inom vetenskapen om kondenserad materia och nanotillverkning, säger Aron Pinczuk, professor i tillämpad fysik och fysik vid Columbia Engineering och senior författare till studien. "Medan konstgjord grafen har visats i andra system som optisk, molekyl, och fotoniska gitter, dessa plattformar saknar mångsidighet och potential som erbjuds av halvledarteknik. Halvledare konstgjorda grafenenheter kan vara plattformar för att utforska nya typer av elektroniska switchar, transistorer med överlägsna egenskaper, och även, kanske, nya sätt att lagra information baserat på exotiska kvantmekaniska tillstånd."

Upptäckten av grafen i början av 2000-talet skapade en enorm spänning i fysiksamhället, inte bara för att det var den första verkliga realiseringen av ett riktigt tvådimensionellt material utan också för att det unika atomarrangemanget av kolatomerna i grafen gav en plattform för testa nya kvantfenomen som är svåra att observera i konventionella materialsystem. Med sina ovanliga elektroniska egenskaper - dess elektroner kan resa stora avstånd innan de sprids - är grafen en enastående ledare. Dessa egenskaper uppvisar också andra unika egenskaper som gör att elektroner beter sig som om de vore relativistiska partiklar som rör sig nära ljusets hastighet, ger dem exotiska egenskaper som "vanliga, "icke-relativistiska elektroner har inte.

Men grafen, ett naturligt ämne, kommer endast i ett atomarrangemang:atomernas positioner i grafengitteret är fasta, och därför måste alla experiment på grafen anpassa sig till dessa begränsningar. Å andra sidan, i konstgjord grafen kan gallret konstrueras över ett brett spektrum av avstånd och konfigurationer, vilket gör den till en slags helig gral för forskare av kondenserad materia eftersom den kommer att ha mer mångsidiga egenskaper än naturmaterialet.

"Detta är ett snabbt växande forskningsområde, och vi upptäcker nya fenomen som inte kunde nås tidigare, säger Shalom Wind, fakultetsledamot vid institutionen för tillämpad fysik och tillämpad matematik och medförfattare till studien. "När vi utforskar nya enhetskoncept baserade på elektrisk kontroll av konstgjord grafen, vi kan låsa upp potentialen att utöka gränserna inom avancerad optoelektronik och databehandling."

"Det här arbetet är verkligen ett stort framsteg inom artificiell grafen. Sedan den första teoretiska förutsägelsen att system med grafenliknande elektroniska egenskaper kan skapas på konstgjord väg och trimmas med mönstrad 2D elektrongas, ingen hade lyckats, tills Columbia-arbetet, genom att direkt observera dessa egenskaper i konstruerade halvledarnanostrukturer, " säger Steven G Louie, professor i fysik, University of California, Berkeley. "Tidigare arbete med molekyler, atomer och fotoniska strukturer representerar mycket mindre mångsidiga och stabila system. De nanotillverkade halvledarstrukturerna öppnar enorma möjligheter för att utforska spännande ny vetenskap och praktiska tillämpningar."

Forskarna använde verktygen för konventionell chipteknologi för att utveckla den artificiella grafenen i ett standardhalvledarmaterial, galliumarsenid. De designade en skiktad struktur så att elektronerna bara kunde röra sig inom ett mycket smalt lager, effektivt skapa ett 2D-ark. De använde nanolitografi och etsning för att mönstra galliumarseniden:mönstringen skapade ett hexagonalt gitter av platser där elektronerna var begränsade i lateral riktning. Genom att placera dessa webbplatser, som kan ses som "konstgjorda atomer, "tillräckligt nära varandra (~ 50 nanometer från varandra), dessa konstgjorda atomer kan interagera kvantmekaniskt, liknande hur atomer delar sina elektroner i fasta ämnen.

Teamet undersökte de elektroniska tillstånden hos de konstgjorda gittren genom att lysa laserljus på dem och mäta ljuset som spreds. Det spridda ljuset visade en energiförlust som motsvarade övergångar i elektronenergin från ett tillstånd till ett annat. När de kartlade dessa övergångar, teamet fann att de närmade sig noll på ett linjärt sätt runt det som kallas "Dirac-punkten" där elektrontätheten försvinner, ett kännetecken för grafen.

Denna konstgjorda grafen har flera fördelar jämfört med naturlig grafen:till exempel forskare kan designa variationer i bikakenätet för att modulera elektroniskt beteende. Och eftersom avståndet mellan kvantpunkterna är mycket större än avståndet mellan atomerna i naturlig grafen, forskare kan observera ännu mer exotiska kvantfenomen med tillämpning av ett magnetfält.

Upptäckten av nya lågdimensionella material, såsom grafen och andra ultratunna, skiktade van der Waals-filmer som visar spännande nya fysiska fenomen som tidigare var otillgängliga, lade grunden för denna studie. "Det som verkligen var avgörande för vårt arbete var de imponerande framstegen inom nanotillverkning, " Pinczuk noterar. "Dessa erbjuder oss en ständigt ökande verktygslåda för att skapa en myriad av högkvalitativa mönster i nanoskala dimensioner. Det här är en spännande tid att vara fysiker som arbetar inom vårt område."