Den snabbt utvecklande vetenskapen och tekniken för grafen och atomtunna material har tagit ytterligare ett steg framåt med ny forskning från University of Manchester.

Denna forskning, publicerad i Vetenskap , visar hur en mängd olika elektroniska egenskaper - väsentligen nya material - kan realiseras helt enkelt genom att applicera ett magnetfält.

Elektroner inuti material rör sig helt annorlunda än en fri elektron i vakuum:deras egenskaper påverkas starkt av den elektriska potentialen hos joner som består av kristallgitteret. Denna interaktion förändrar massan av elektroner och gör material antingen till metaller, halvledare eller isolatorer, beroende på den detaljerade atomstrukturen. Detta ger den stora variationen av materialegenskaper vi känner till och arbetar med.

Tidigare, forskarna vid University of Manchester har hittat sätt att skapa nya material med skräddarsydda elektroniska egenskaper genom att placera ett elektroniskt material (i detta fall grafen) ovanpå en annan kristall, sexkantig bornitrid. Nu, de visar hur man skapar en hel sekvens av olika elektroniska material genom att helt enkelt ställa in det applicerade magnetfältet.

I denna kombination av material, bornitridatomer skapar ett periodiskt mönster för elektroner i grafen som kallas ett supergitter. Ett sådant supergaller kännetecknas av längdskalan för det periodiska mönstret, medan styrkan hos det applicerade magnetfältet kan räknas i sk flux quanta, elementära enheter av magnetfält.

Ett matchande tillstånd uppnås varje gång när en heltalsfraktion av flödeskvantet penetrerar genom ett område som ges av elementärt supergitter. Vid dessa specialvärden för magnetfält, forskarna observerade att elektroner började röra sig längs raka linjer, som om magnetfältet saknas.

Detta står i skarp kontrast till det kända beteendet hos elektroner i ett magnetfält där elektroner måste röra sig längs krökta banor som kallas cyklotronbanor. Som ett resultat av dessa förändringar från raka till krökta banor och tillbaka vid många matchande förhållanden, forskarna fann svängningar i elektrisk konduktivitet för grafens supergaller.

Alla tidigare kända svängningar i ett magnetfält kräver låga temperaturer, vanligtvis lika med när helium blir en vätska. I kontrast, de nya svängningarna observerades vid mycket höga temperaturer, långt över rumstemperatur.

Professor Sir Andre Geim från University of Manchester, som vann Nobelpriset för fysik 2010 för sitt arbete med grafen, ledde experimentförsöket och sa:"Oscillerande kvanteffekter presenterar alltid milstolpar i vår förståelse av materialegenskaper. De är oerhört sällsynta. Det är mer än 30 år sedan en ny typ av kvantoscillation rapporterades."

Han tillade:"Våra svängningar sticker ut genom sin extrema robusthet, sker under omgivande förhållanden i lättillgängliga magnetfält. "

En annan anmärkningsvärd aspekt av detta arbete är att grafensuperlattrar tidigare har använts för att studera så kallade Hofstadter-fjärilar, subtila förändringar i den elektroniska strukturen med magnetfält. Dessa förändringar uppvisar en fascinerande fraktalstruktur.

Professor Vladimir Falko, Direktören för National Graphene Institute som gav teoretiskt stöd i detta arbete kommenterade:"Vårt arbete hjälper till att avmystifiera Hofstadterfjärilen. Den komplexa fraktalstrukturen i Hofstadter fjärilspektrum kan förstås som enkel Landau -kvantisering i sekvensen av nya metaller skapade av magnetiska fält."