Exakt placerade kolmonoxidmolekyler (svarta) leder elektroner (gul-orange) in i ett nästan perfekt bikakemönster som kallas molekylärt grafen. Elektroner i denna struktur har grafenliknande egenskaper; till exempel, till skillnad från vanliga elektroner, de har ingen massa och färdas som om de rör sig med ljusets hastighet i ett vakuum. För att göra denna struktur, forskare från Stanford och SLAC National Accelerator Laboratory använde ett skanningstunnelmikroskop för att flytta individuella kolmonoxidmolekyler till ett hexagonalt mönster på en perfekt slät kopparyta. Kolmonoxiden stöter bort de fritt flödande elektronerna på kopparytan, tvinga dem till ett grafenliknande bikakemönster. Kredit:Manoharan Lab, Stanford/SLAC
Forskare från Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory har skapat det allra första systemet med "designerelektroner"-exotiska varianter av vanliga elektroner med avstämbara egenskaper som i slutändan kan leda till nya typer av material och enheter.
"Beteendet hos elektroner i material är kärnan i i stort sett all dagens teknologi, " sa Hari Manoharan, docent i fysik vid Stanford och medlem i SLAC:s Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, som ledde forskningen. "Vi kan nu ställa in de grundläggande egenskaperna hos elektroner så att de beter sig på sätt som sällan sett i vanliga material."
På bilden visas en version av molekylär grafen där elektronerna är inställda för att svara som om de upplever ett mycket högt magnetfält (röda områden) när ingen är närvarande. Forskare från Stanford och SLAC National Accelerator Laboratory beräknade positionerna där kolatomer i grafen skulle vara för att få dess elektroner att tro att de exponerades för ett magnetfält på 60 Tesla, mer än 30 procent högre än det starkaste kontinuerliga magnetfält som någonsin uppnåtts på jorden (ett magnetfält på 1 Tesla är cirka 20, 000 gånger starkare än jordens). Forskarna använde sedan ett scanning tunnelmikroskop för att placera kolmonoxidmolekyler (svarta cirklar) på exakt dessa positioner. Elektronerna svarade genom att bete sig exakt som förväntat - som om de exponerades för ett verkligt fält. Upphovsman:Manoharan Lab, Stanford/SLAC
Deras första exempel, rapporterade idag i Natur , var handgjorda, bikakeformade strukturer inspirerade av grafen, en ren form av kol som har blivit allmänt beskådad för sin potential inom framtida elektronik. Initialt, elektronerna i denna struktur hade grafenliknande egenskaper; till exempel, till skillnad från vanliga elektroner, de hade ingen massa och reste som om de rörde sig med ljusets hastighet i ett vakuum. Men forskare kunde sedan ställa in dessa elektroner på sätt som är svåra att göra i riktig grafen.
För att göra strukturen, som Manoharan kallar molekylärt grafen, forskarna använder ett scanning tunnelmikroskop för att placera individuella kolmonoxidmolekyler på en perfekt slät kopparyta. Kolmonoxiden stöter bort de fritt flödande elektronerna på kopparytan och tvingar in dem i ett bikakemönster, där de beter sig som grafenelektroner.
Den här grafiken visar effekten som ett specifikt mönster av kolmonoxidmolekyler (svart/röd) har på friflytande elektroner (orange/gula) ovanpå en kopparyta. Vanligtvis beter sig elektronerna som enkla plana vågor (bakgrund). Men elektronerna stöts bort av kolmonoxidmolekylerna, placeras här i ett hexagonalt mönster. Detta tvingar elektronerna till en bikakeform (förgrund) som efterliknar grafens elektroniska struktur, en ren form av kol som har blivit allmänt omtalad för sin potential i framtidens elektronik. Molekylerna är exakt placerade med spetsen på ett skanningstunnelmikroskop (mörkblått). Bildkredit:Hari Manoharan / Stanford University.
För att ställa in elektronernas egenskaper, forskarna placerade om kolmonoxidmolekylerna på ytan; detta förändrade symmetrin hos elektronflödet. I vissa konfigurationer, elektroner agerade som om de hade utsatts för ett magnetiskt eller elektriskt fält. I andra, forskare kunde finjustera elektronernas densitet på ytan genom att införa defekter eller föroreningar. Genom att skriva komplexa mönster som efterliknade förändringar i kol-kolbindningslängder och styrkor i grafen, forskarna kunde återställa elektronernas massa i små, utvalda områden.
"En av de vildaste sakerna vi gjorde var att få elektronerna att tro att de befinner sig i ett enormt magnetfält när, faktiskt, inget verkligt fält hade tillämpats, "Sade Manoharan. Styrs av teorin som utvecklats av medförfattaren Francisco Guinea i Spanien, Stanford-teamet beräknade positionerna där kolatomer i grafen skulle vara för att få dess elektroner att tro att de exponerades för magnetfält från noll till 60 Tesla, mer än 30 procent högre än det starkaste kontinuerliga magnetfält som någonsin uppnåtts på jorden. Forskarna flyttade sedan kolmonoxidmolekyler för att styra elektronerna till just de positionerna, och elektronerna svarade genom att bete sig exakt som förutspått – som om de hade exponerats för ett verkligt fält.
"Vårt nya tillvägagångssätt är en kraftfull ny testbädd för fysik, "Manoharan sa." Molekylärt grafen är bara det första i en rad möjliga designstrukturer. Vi förväntar oss att vår forskning i slutändan kommer att identifiera nya material i nanoskala med användbara elektroniska egenskaper."
