(PhysOrg.com) -- Genom att studera tre lager grafen -- ark av bikaksformade kolatomer -- staplade på ett speciellt sätt, Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har upptäckt ett "litet universum" befolkat av en ny sorts "kvasipartiklar" - partikelliknande excitationer av elektrisk laddning. Till skillnad från masslösa fotonliknande kvasipartiklar i ettlagers grafen, dessa nya kvasipartiklar har massa, som beror på deras energi (eller hastighet), och skulle bli oändligt massiv i vila.

Den ackumuleringen av massa vid låga energier betyder detta trelagers grafensystem, om magnetiseras genom att införliva den i en heterostruktur med magnetiskt material, skulle potentiellt kunna generera en mycket större täthet av spinnpolariserade laddningsbärare än enskiktsgrafen – vilket gör det mycket attraktivt för en ny klass av enheter baserade på att styra inte bara elektrisk laddning utan även spinn, allmänt känd som spintronics.

"Vår forskning visar att dessa mycket ovanliga kvasipartiklar, förutspått av teori, existerar faktiskt i trelagers grafen, och att de styr egenskaper som hur materialet beter sig i ett magnetfält - en egenskap som kan användas för att styra grafenbaserade elektroniska enheter, sade Brookhaven-fysikern Igor Zaliznyak, som ledde forskargruppen. Deras arbete med att mäta egenskaperna hos trelags grafen som ett första steg mot konstruktion av sådana enheter publicerades online i Naturfysik den 25 september, 2011.

Grafen har varit föremål för intensiv forskning sedan upptäckten 2004, särskilt på grund av det ovanliga beteendet hos dess elektroner, som flyter fritt över plan, enkelskiktsark av ämnet. Att stapla lager förändrar hur elektronerna strömmar:Att stapla två lager, till exempel, ger ett "avstämbart" avbrott i energinivåerna som elektronerna kan uppta, vilket ger forskare ett sätt att slå på och av strömmen. Det öppnar möjligheten att införliva det billiga ämnet i nya typer av elektronik.

Med tre lager, situationen blir mer komplicerad, forskare har funnit, men också potentiellt kraftfullare.

En viktig variabel är hur lagren staplas:I "ABA"-system, kolatomerna som utgör bikakeringarna är direkt inriktade i topp- och bottenskikten (A) medan de i mellanskiktet (B) är förskjutna; i "ABC"-varianter, bikakorna i varje staplade lager är förskjutna, steg uppåt lager för lager som en trappa. Än så länge, ABC-stapling verkar ge upphov till mer intressanta beteenden - som de som är föremål för den aktuella studien.

För denna studie, forskarna skapade treskiktsgrafen vid Center for Functional Nanomaterials (CFN) vid Brookhaven Lab, skalar den från grafit, den form av kol som finns i blyertspenna. De använde mikroRaman-mikroskopi för att kartlägga proverna och identifiera de med tre lager staplade i ABC-arrangemanget. Sedan använde de CFN:s nanolitografiverktyg, inklusive jonstrålfräsning, att forma proverna på ett speciellt sätt så att de kan anslutas till elektroder för mätningar.

Vid National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) i Tallahassee, Florida, forskarna studerade sedan materialets elektroniska egenskaper - speciellt effekten av ett externt magnetfält på transporten av elektronisk laddning som en funktion av laddningsbärarens täthet, magnetisk fältstyrka, och temperatur.

"I slutändan, framgången för detta projekt förlitade sig på hårt arbete och sällsynt experimentell skicklighet hos begåvade unga forskare som vi engagerade oss i dessa studier, särskilt, Liyuan Zhang, som vid den tiden var forskarassistent vid Brookhaven, och Yan Zhang, då en doktorand från Stony Brook University, Säger Igor Zaliznyak.

Mätningarna ger det första experimentella beviset för förekomsten av en viss typ av kvasipartikel, eller elektronisk excitation som fungerar som en partikel och fungerar som en laddningsbärare i tri-lagers grafensystem. Dessa speciella kvasipartiklar, som förutspåddes av teoretiska studier, ha dåligt definierad massa - dvs. de beter sig som om de har en mängd massor - och de massorna divergerar när energinivån minskar med kvasipartiklar som blir oändligt massiva.

Vanligtvis skulle sådana partiklar vara instabila och kunde inte existera på grund av interaktioner med virtuella partikel-hål-par - liknande virtuella par av motsatt laddade elektroner och positroner, som förintar när de interagerar. Men en egenskap hos kvasipartiklarna som kallas kiralitet, som är relaterad till en speciell smak av spinn i grafensystem, förhindrar att kvasipartiklarna förstörs av dessa interaktioner. Så dessa exotiska oändligt massiva partiklar kan existera.

"Dessa resultat ger experimentell validering för den stora mängden nyligen teoretiskt arbete om grafen, och avslöja nya spännande möjligheter för framtida studier som syftar till att använda de kvasipartiklarnas exotiska egenskaper, " sa Zaliznyak.

Till exempel, genom att kombinera magnetiska material med tri-lager grafen kan riktningen snurra av laddningsbärarkvaspartiklarna. "Vi tror att sådana grafen-magnetheterostrukturer med spinnpolariserade laddningsbärare kan leda till verkliga genombrott inom spintronikområdet, " sa Zaliznyak.