Ett forskargrupp som leds av fysiker vid University of California, Riverside har identifierat en egenskap hos "bilager grafen" (BLG) som forskarna säger är analogt med att hitta Higgs boson i partikelfysik.

Grafen, naturens tunnaste elastiska material, är ett en-atom tjockt ark av kolatomer anordnade i ett sexkantigt galler. På grund av grafens plana och kycklingtrådliknande struktur, ark av det lämpar sig bra för stapling.

BLG bildas när två grafenark staplas på ett speciellt sätt. Som grafen, BLG har hög strömförmåga, även känd som hög elektronledning. Den höga strömförande kapaciteten beror på de extremt höga hastigheter som elektroner kan förvärva i ett grafenark.

Fysikerna rapporterar online 22 januari Naturnanoteknik att vid undersökningen av BLG:s egenskaper fann de att när antalet elektroner på BLG -arket är nära 0, materialet blir isolerande (det vill säga det motstår ström av elektrisk ström) - ett fynd som har konsekvenser för användningen av grafen som ett elektroniskt material i halvledar- och elektronikindustrin.

"BLG blir isolerande eftersom dess elektroner spontant organiserar sig när deras antal är litet, "sa Chun Ning (Jeanie) Lau, docent i fysik och astronomi och huvudförfattare till forskningsrapporten. "Istället för att flytta slumpmässigt, elektronerna rör sig på ett ordnat sätt. Detta kallas 'spontan symmetribrytning' i fysiken, och är ett mycket viktigt koncept eftersom det är samma princip som "ger" massa för partiklar inom högenergifysik. "

Lau förklarade att en typisk ledare har ett stort antal elektroner, som rör sig slumpmässigt, snarare som en fest med tiotusen gäster utan tilldelade platser vid matbord. Om festen bara har fyra gäster, dock, då måste gästerna interagera med varandra och sätta sig vid ett bord. Liknande, när BLG bara har några få elektroner orsakar interaktionerna att elektronerna beter sig ordnat.

Ny kvantpartikel

Allan MacDonald, Sid W. Richardson Foundation Regents ordförande vid Institutionen för fysik vid University of Texas i Austin och en medförfattare till forskningspapperet, noterade att teamet har mätt massan av en ny typ av massiv kvantpartikel som bara kan hittas inuti BLG -kristaller.

"Fysiken som ger dessa partiklar sin massa är nära analog med fysiken som gör massan av en proton inuti en atomkärna mycket mycket större än massan av kvarkerna från vilka den bildas, "sa han." Vårt teams partikel är gjord av elektroner, dock, inte kvarker. "

MacDonald förklarade att experimentet som forskargruppen genomförde motiverades av teoretiskt arbete som förutsåg att nya partiklar skulle komma ut ur elektronhavet i en BLG -kristall.

"Nu när de efterlängtade partiklarna har hittats, framtida experiment hjälper till att lösa en pågående teoretisk debatt om deras egenskaper, " han sa.

Praktiska tillämpningar

Ett viktigt resultat av forskargruppen är att det inneboende "energigapet" i BLG växer med ökande magnetfält.

I fast tillståndsfysik, ett energigap (eller bandgap) avser ett energiområde i ett fast ämne där inga elektrontillstånd kan existera. Rent generellt, storleken på ett energigap i ett material avgör om det är en metall (ingen lucka), halvledare (litet gap) eller isolator (stort gap). Förekomsten av ett energigap i kisel är avgörande för halvledarindustrin eftersom, för digitala applikationer, ingenjörer måste slå på enheten eller ledande, och "av" eller isolerande.

Ett lager grafen (SLG) är gaplöst, dock, och kan inte stängas av helt oavsett antalet elektroner på SLG, det förblir alltid metalliskt och en ledare.

"Detta är mycket ofördelaktigt ur elektronisk synvinkel, "sa Lau, medlem i UC Riversides Center for Nanoscale Science and Engineering. "BLG, å andra sidan, kan faktiskt stängas av. Vår forskning är i inledningsfasen, och, nuvarande, bandgapet är fortfarande för litet för praktiska tillämpningar. Det som är oerhört spännande är dock att detta arbete föreslår en lovande väg - trelager grafen och tetralager grafen, som sannolikt kommer att ha mycket större energiklyftor som kan användas för digital och infraröd teknik. Vi har redan börjat arbeta med dessa material. "