(PhysOrg.com) - Först, det var de fotbollsformade molekylerna som kallades buckyballs. Sedan var det de cylindriskt formade nanorören. Nu, det hetaste nya materialet inom fysik och nanoteknik är grafen:en anmärkningsvärt platt molekyl gjord av kolatomer ordnade i hexagonala ringar ungefär som molekylär kycklingtråd.

Detta är inte bara det tunnaste materialet möjligt, men det är också 10 gånger starkare än stål och det leder elektricitet bättre än något annat känt material vid rumstemperatur. Dessa och grafens andra exotiska egenskaper har lockat fysikernas intresse, som vill studera dem, och nanoteknologer, som vill utnyttja dem för att göra nya elektriska och mekaniska apparater.

"Det finns två egenskaper som gör grafen exceptionell, " säger Kirill Bolotin, som precis har gått med i Vanderbilt Institutionen för fysik och astronomi som biträdande professor. "Först, dess molekylära struktur är så motståndskraftig mot defekter att forskare har varit tvungna att tillverka dem för att studera vilka effekter de har. Andra, elektronerna som bär elektrisk laddning färdas mycket snabbare och beter sig i allmänhet som om de har mycket mindre massa än de gör i vanliga metaller eller supraledare."

Bolotin har varit direkt involverad i ansträngningarna att tillverka och karakterisera detta exotiska nya material som postdoktor i Philip Kims laboratorium vid Columbia University. I en artikel publicerad förra veckan i tidningen Natur , han och hans Columbia-kollegor rapporterar att de har lyckats rensa upp grafen tillräckligt så att det uppvisar ett bisarrt elektriskt fenomen som kallas fraktionell kvant Hall-effekt, där elektronerna samverkar för att skapa nya partiklar med elektriska laddningar som är en bråkdel av enskilda elektroner.

Även om grafen är det första riktigt tvådimensionella kristallina materialet som har upptäckts, genom åren har forskare funderat mycket på hur tvådimensionella gaser och fasta ämnen ska bete sig. De har också lyckats skapa en nära approximation till en tvådimensionell elektrongas genom att binda ihop två lite olika halvledare. Elektroner är begränsade till gränssnittet mellan de två och deras rörelser är begränsade till två dimensioner. När ett sådant system kyls ner till mindre än en grad över absolut noll och ett starkt magnetfält appliceras, då visas den fraktionerade kvante Hall -effekten.

Sedan forskare kom på hur man gör grafen för fem år sedan, de har försökt få det att uppvisa denna effekt med endast marginell framgång. Enligt Bolotin, Columbia-gruppen kom på att störningar från ytan som grafenet satt på var problemet. Så de tillämpade halvledarlitografitekniker för att suspendera ultrarena grafenark mellan mikroskopiska stolpar ovanför ytan av halvledarchips. När de kylde ner denna konfiguration inom sex grader av absolut noll och applicerade ett magnetfält, grafenen genererade en robust kvant-Hall-effekt som förutspåtts av teorin.

Det bästa sättet att förstå denna kontraintuitiva effekt är att tänka på elektronerna i grafen som bildar ett (mycket tunt) hav av laddning. När magnetfältet appliceras, det genererar virvlar i elektronvätskan. Eftersom elektroner bär en negativ laddning, dessa virvlar har en positiv laddning. De bildas med bråkladdningar som en tredjedel, hälften och två tredjedelar av en elektron. Dessa positiva laddningsbärare attraheras till och fäster vid ledningselektronerna, skapar kvasipartiklar med fraktionerad laddning.

Att förstå de elektriska egenskaperna hos grafen är viktigt eftersom, till skillnad från andra material som används av elektronikindustrin, den förblir stabil och ledande ner till molekylär skala. Som ett resultat, när den nuvarande kiselteknologin når det är en grundläggande miniatyriseringsgräns under de kommande åren, grafen kan mycket väl ta dess plats.

Under tiden, vissa teoretiska fysiker är intresserade av grafen av en helt annan anledning:det ger ett nytt sätt att testa sina teorier.

När elektroner rör sig genom vanliga metaller, de interagerar med de elektriska fälten som produceras av metallatomernas gitter, som trycker och drar dem på ett komplext sätt. Nettoresultatet är att elektronerna fungerar som om de har en massa som skiljer sig från vanliga elektroners. Så fysiker kallar detta en "effektiv massa" och anser att de är kvasipartiklar. När de reser genom grafen fungerar de också som kvasipartiklar, men de beter sig som om de har en massa på noll. Det visar sig att grafen kvasipartiklar, till skillnad från de i andra material, lyda reglerna för kvantelektrodynamik, samma relativistiska ekvationer som fysiker använder för att beskriva beteendet hos partiklar i svarta hål och högenergipartikelacceleratorer. Som ett resultat, detta nya material kan göra det möjligt för fysiker att utföra experiment på bordsskivor som testar deras teoretiska modeller av några av de mest extrema miljöerna i universum.

Mer information: www.nature.com/nature/journal/ … ull/nature08582.html

Källa:Vanderbilt University (nyheter:webb)