Staplade lager av grafen kan fungera som en spegel för elektronstrålar. Fysiker Daniël Geelen och kollegor upptäckte detta med hjälp av en ny typ av elektronmikroskop. I en artikel i Physical Review Letters, de beskriver sina resultat, vilket skulle kunna leda till utveckling av optik för elektronstrålar istället för ljus.

Geelen och medarbetare kallade den nya tekniken "eV-TEM." Det är en ny variant av elektronmikroskopet, som riktar strålar av elektroner mot ett prov för att avbilda det.

Elektroner med låg energi

Enligt kvantmekanik, elektroner är vågor, precis som synligt ljus är, men våglängden är mycket kortare. På grund av detta, mycket mindre detaljer kan avbildas i jämförelse med ett ljusmikroskop. Dock, elektronangreppet skadar i allmänhet provet på lång sikt.

Detta är en av anledningarna till att Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sense Jan van der Molen och Rudolf Tromp använder långsamma elektroner, bär låga energier av flera elektronvolt (eV, därav 'eV-TEM') istället för de vanliga tiotals eller hundratusentals elektronvolt.

Elektroner i grafen

Sedan 2010, gruppen driver ett LEEM (low energy electron microscope) utvecklat av Tromp på IBM, som avbildar de reflekterade elektronerna. Geelen förbättrade apparaten med en möjlighet att avbilda elektronerna som går genom provet, "överföringen". Detta förvandlar apparaten i ett transmissionselektronmikroskop (eV-TEM).

Det första materialet som undersöks är grafen, variationen av kol i en lägenhet, tvådimensionellt hexagonalt molekylärt mönster som liknar hönsnät. Forskarna sköt långsamma elektroner mot singel, dubbla och tredubbla lager av grafen, och avbildade överföringen.

"Det har gjorts mycket forskning om hur elektroner beter sig i grafenlager, men mycket mindre om hur de rör sig över lager, säger Sense Jan van der Molen.

Testar teorin

En teoretisk modell från sjuttiotalet förutspår att långsamma elektroner lätt kan passera genom tunna lager, eftersom de knappast kommer att interagera med elektronerna i dessa lager. Sedan, när elektronernas energi och hastighet höjs, Antalet interaktioner förväntas öka, vilket skulle resultera i att allt färre elektroner passerar genom provet. Denna "universella kurva" är tänkt att hålla, oavsett provets exakta material.

Leiden-fysikerna dock märkte något helt annat. Vid specifika elektronenergier, de mäter kraftiga minskningar i transmissionen, som motsvarar toppar i reflektionen. "För elektroner med vissa energier, grafen fungerar som en spegel, säger Van der Molen.

Speglande grafen

I artikeln, forskarna ger en förklaring:elektroner är vågor. Vid vissa våglängder, vågorna som reflekteras från separata grafenlager kommer att förstärka varandra. Denna "konstruktiva interferens" gör att stapeln av grafenlager fungerar som en spegel för elektroner.

En liknande effekt är synlig i den grönaktiga eller lila nyansen av en antireflekterande beläggning på glasögon eller kikare. De består också av lager, som orsakar konstruktiv störning för grönt eller lila ljus.

Den våglängdsberoende speglingen bevisar att tunna prover inte agerar så förutsägbart och oberoende av det exakta materialet som förväntat, säger Johannes Jobst. "Dessa resultat beror starkt på materialets elektronstruktur, och på elektronenergin."

Dessutom, forskningen föreslår möjligheten att använda lager grafen som speglar för elektronstrålar. "Det kan vara möjligt att använda dem som stråldelare, säger Tromp.

Tunna lager mindre förutsägande

Sådana stråldelare, som delar upp en enda inkommande stråle i två separata strålar, är mycket använda standardenheter inom ljusoptik, men de finns inte för elektronstrålar än. Tunna lager av grafen skulle kanske kunna fylla denna lucka. Men först, forskarna skulle vilja avbilda annat material. Van der Molen:"Detta möjliggör grundläggande ny forskning, i skiktade material, och även i känsliga biomolekyler som skulle skadas i ett vanligt elektronmikroskop."