Rutgers forskare har upptäckt nya elektroniska egenskaper i tvådimensionella ark av kolatomer som kallas grafen som en dag kan bli hjärtat av snabba och kraftfulla elektroniska enheter.
De nya rönen, som tidigare ansetts möjligt av fysiker men först nu ses i laboratoriet, visa att elektroner i grafen kan interagera starkt med varandra. Beteendet liknar supraledning som observerats i vissa metaller och komplexa material, märkt av flödet av elektrisk ström utan motstånd och andra ovanliga men potentiellt användbara egenskaper. I grafen, detta beteende resulterar i en ny vätskeliknande fas av materia som består av fraktionellt laddade kvasipartiklar, där laddningen transporteras utan förlust.
I en tidning utgiven online av den prestigefyllda vetenskapstidskriften Natur och planeras för tryckt publicering under de kommande veckorna, fysikprofessor Eva Andrei och hennes Rutgers-kollegor noterar att den starka interaktionen mellan elektroner, även kallat korrelerat beteende, hade inte observerats i grafen trots många försök att få bort det. Detta fick vissa forskare att ifrågasätta om korrelerat beteende ens skulle vara möjligt i grafen, där elektronerna är masslösa (ultra-relativistiska) partiklar som fotoner och neutriner. I de flesta material, elektroner är partiklar som har massa.
"Vårt arbete visade att tidigare misslyckanden att observera korrelerat beteende inte berodde på grafenens fysiska natur, sa Eva Andrei, fysikprofessor vid Rutgers School of Arts and Sciences. "Snarare, det var på grund av störningar från materialet som stödde grafenprover och typen av elektriska sonder som användes för att studera det."
Detta fynd bör uppmuntra forskare att fortsätta söka efter grafen och relaterat material för framtida elektroniska tillämpningar, inklusive ersättningar för dagens kiselbaserade halvledarmaterial. Branschexperter förväntar sig att kiselteknologi ska nå grundläggande prestandagränser inom lite mer än ett decennium.
Rutgers-fysikerna beskriver vidare hur de observerade det kollektiva beteendet hos de ultrarelativistiska laddningsbärarna i grafen genom ett fenomen som kallas fraktionell kvant Hall-effekt (FQHE). FQHE ses när laddningsbärare är begränsade till att röra sig i ett tvådimensionellt plan och utsätts för ett vinkelrätt magnetfält. När interaktionerna mellan dessa laddningsbärare är tillräckligt starka bildar de nya kvasipartiklar med en bråkdel av en elektrons elementära laddning. FHQE är den avgörande signaturen för starkt korrelerat beteende bland laddningsbärande partiklar i två dimensioner.
FHQE är känt för att existera i halvledarbaserade, tvådimensionella elektronsystem, där elektronerna är massiva partiklar som följer konventionell dynamik kontra den relativistiska dynamiken hos masslösa partiklar. Dock, det var inte uppenbart förrän nu att ultrarelativistiska elektroner i grafen skulle vara kapabla att uppvisa kollektiva fenomen som ger upphov till FHQE. Rutgers-fysikerna var förvånade över att FHQE i grafen är ännu mer robust än i standardhalvledare.
Forskare gör grafenplåster genom att gnida grafit - samma material i vanligt blyertspenna - på en kiselskiva, som är en tunn skiva kiselkristall som används för att göra datorchips. Sedan kör de elektriska vägar till grafenplåstren med hjälp av vanliga tekniker för tillverkning av integrerade kretsar. Medan forskare kunde undersöka många egenskaper hos den resulterande grafen elektroniska enheten, de kunde inte inducera den eftertraktade fraktionella kvant-Hall-effekten.
Andrei och hennes grupp föreslog att föroreningar eller ojämnheter i det tunna lagret av kiseldioxid som låg bakom grafenet hindrade forskarna från att uppnå de krävande förhållanden de behövde. Postdoktor Xu Du och doktorand Anthony Barker kunde visa att etsning av flera lager av kiseldioxid under grafenplåstren i huvudsak lämnar en intakt grafenremsa upphängd i luften av elektroderna. Detta gjorde det möjligt för gruppen att visa att bärarna i suspenderad grafen i huvudsak fortplantar sig ballistiskt utan att spridas från föroreningar. Ett annat avgörande steg var att designa och tillverka en sondgeometri som inte störde mätningar som Andrei misstänkte att tidigare gjorde. Dessa visade sig vara avgörande steg för att observera det korrelerade beteendet i grafen.
Under de senaste månaderna, andra akademiska och företagsforskningsgrupper har rapporterat strömlinjeformade grafenproduktionstekniker, vilket kommer att driva vidare forskning och potentiella tillämpningar.
Källa:Rutgers University (nyheter:webb)
