(Phys.org) - Kanske skapar inget annat material så mycket spänning i elektronikvärlden som grafen, ark av rent kol bara en atom tjock genom vilken elektroner kan springa med nästan ljusets hastighet - 100 gånger snabbare än de rör sig genom kisel. Superthin, Super stark, superflexibel och supersnabb som en elektrisk ledare, grafen har utsetts som ett potentiellt undermaterial för en mängd elektroniska applikationer, börjar med supersnabba transistorer. För att grafens stora potential ska realiseras fullt ut, dock, forskare måste först lära sig mer om vad som gör grafen så super. Det senaste steget i denna riktning har tagits av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California Berkeley.

Michael Crommie, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning, ledde en studie där de första direkta observationerna vid mikroskopiska längder registrerades av hur elektroner och hål reagerar på en laddad förorening - en enda Coulomb -potential - placerad på en grindad grafen -enhet. Resultaten ger experimentellt stöd för teorin att interaktioner mellan elektroner är avgörande för grafens extraordinära egenskaper.

"Vi har visat att elektroner i grafen beter sig väldigt annorlunda kring laddade föroreningar än elektroner i andra material, ”Säger Crommie. "Vissa forskare har hävdat att elektron-elektron-interaktioner inte är viktiga för inneboende grafenegenskaper medan andra har hävdat att de är det. Våra första bilder någonsin av hur ultra-relativistiska elektroner omorganiserar sig som svar på en Coulomb-potential kommer ner på sidan av elektron-elektroninteraktioner som en viktig faktor. ”

Crommie är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna studie publicerad i tidskriften Nature Physics. Papperet har titeln "Kartläggning av Dirac-kvasipartiklar nära en enda Coulomb-förorening på grafen." Medförfattare till detta papper var Yang Wang, Victor Brar, Andrey Shytov, Qiong Wu, William Regan, Hsin-Zon Tsai, Alex Zettl och Leonid Levitov.

Grafenark består av kolatomer arrangerade i ett tvådimensionellt sexkantigt mönstrat galler, som en honungskaka. Elektroner som rör sig genom detta bikakegitter efterliknar perfekt det beteende som förväntas av mycket relativistiska laddade partiklar utan massa:tänk på en ljusstråle som är elektriskt laddad. Eftersom detta är samma beteende som visas av mycket relativistiska fria elektroner, laddningsbärare i grafen kallas ”Dirac quasiparticles, ”Efter Paul Dirac, forskaren som först beskrev beteendet hos relativistiska fermioner 1928.

"I grafen, elektroner beter sig som masslösa Dirac -fermioner, ”Säger Crommie. "Som sådan, dessa elektroners svar på en Coulomb-potential förutsägs skilja sig väsentligt från hur icke-relativistiska elektroner beter sig i traditionella atom- och föroreningssystem. Dock, tills nu, många viktiga teoretiska förutsägelser för detta ultra-relativistiska system hade inte testats. ”

Arbeta med ett specialutrustat skanningstunnelmikroskop (STM) i ultrahögt vakuum, Crommie och hans kollegor undersökte grindanordningar bestående av ett grafenskikt avsatt ovanpå bornitridflingor som själva placerades på ett kiseldioxidunderlag, det vanligaste av halvledarsubstrat.

"Användningen av bornitrid minskade avsevärt laddningens inhomogenitet hos grafen, därigenom tillåter oss att undersöka det inneboende grafen -elektroniska svaret på individuella laddade föroreningar, ”Säger Crommie. I den här studien, de laddade föroreningarna var kobolttrimerer konstruerade på grafen genom att atomiskt manipulera koboltmonomerer med spetsen av en STM. ”

STM som användes för att tillverka kobolttrimerer användes också för att kartlägga (genom spatial variation i grafens elektroniska struktur) svaret från Dirac-kvasipartiklar-både elektronliknande och hålliknande-på Coulomb-potentialen som skapats av trimererna. Genom att jämföra den observerade elektronhålsasymmetrin med teoretiska simuleringar fick forskargruppen inte bara testa teoretiska förutsägelser för hur Dirac fermioner beter sig nära en Coulomb -potential, men också för att extrahera grafens dielektriska konstant.

”Teoretiker har förutspått att jämfört med andra material, elektroner i grafen dras in i en positivt laddad förorening antingen för svagt, den subkritiska regimen; eller för starkt, den superkritiska regimen, ”Säger Crommie. "I vår studie, vi verifierade förutsägelserna för den subkritiska regimen och fann att värdet för dielektrikummet var tillräckligt litet för att indikera att elektron -elektron -interaktioner bidrar avsevärt till grafenegenskaper. Denna information är grundläggande för vår förståelse av hur elektroner rör sig genom grafen. ”