(Phys.org) – Ett samarbete ledd av forskare från NIST Center for Nanoscale Science and Technology har för första gången visat att laddningsbärare i grafen fortsätter att bete sig som masslösa partiklar, som fotoner, över bredare intervall av både densitet och energi än vad som tidigare uppmätts eller modellerats.

grafen, ett enda lager av kolatomer, är ett material av stort vetenskapligt och tekniskt intresse, delvis för att det leder elektroner med hög hastighet. Dock, för att grafen ska uppnå sitt löfte som en komponent i framtida elektroniska enheter, det är viktigt att på en grundläggande nivå förstå hur laddningsbärare i materialet interagerar med varandra. Forskarna använde scanning tunneling spektroskopi mätningar av magnetiska kvantenerginivåer av grafen laddningsbärare för att bestämma förändringar i hastighet av laddningsbärarna.

Genom att använda en CNST-utvecklad teknik som kallas "gate mapping scanning tunneling spectroscopy, Forskarna mätte energinivåerna när de ändrade densiteten för bärarna i grafenet genom att applicera olika potentialer mellan en ledande grind och det tvådimensionella grafenarket.  De fastställde att grafenbärarna bibehåller ett proportionellt förhållande mellan energi och momentum – en "linjär dispersion" som är karakteristisk för masslösa partiklar - över ett oväntat brett spektrum av energier och densiteter, från elektroner till hål. De kunde också visa att när densiteten av bärare i grafen sänks, effekten av varje elektron på andra elektroner ökar, vilket resulterar i högre hastigheter än väntat.

Dessa överraskande resultat är viktiga både för att förstå fysiken hos framtida grafenenheter och för att de kommer att hjälpa till att vägleda utvecklingen av mer exakta teoretiska modeller av interaktioner mellan elektroner i tvådimensionella system.