(Phys.org)-Grafen har blivit ett underbart material för alla ändamål, uppmuntrar forskares arméer att utforska nya möjligheter för detta tvådimensionella galler av rent kol. Men ny forskning vid MIT har hittat ytterligare potential för materialet genom att avslöja oväntade funktioner som dyker upp under vissa extrema förhållanden - funktioner som kan göra grafen lämplig för exotiska användningsområden, till exempel kvantberäkning.

Forskningen publiceras i veckan i tidskriften Natur , i en uppsats av professorerna Pablo Jarillo-Herrero och Ray Ashoori, postdoktorer Andrea Young och Ben Hunt, doktorand Javier Sanchez-Yamaguchi, och tre andra. Under ett extremt kraftfullt magnetfält och vid extremt låg temperatur, fann forskarna, grafen kan effektivt filtrera elektroner enligt deras rotationsriktning, något som inte kan göras av något konventionellt elektroniskt system.

Under normala förhållanden, ark av grafen beter sig som normala ledare:Applicera en spänning, och strömmen flödar genom den tvådimensionella flingan. Om du slår på ett magnetfält vinkelrätt mot grafenflingan, dock, beteendet förändras:Strömmen flödar bara längs kanten, medan huvuddelen förblir isolerande. Dessutom, denna ström flyter bara i en riktning - medurs eller moturs, beroende på magnetfältets orientering - i ett fenomen som kallas quantum Hall -effekten.

I det nya arbetet, forskarna fann att om de applicerade ett andra kraftfullt magnetfält - den här gången i samma plan som grafenflingan - förändras materialets beteende igen:Elektroner kan röra sig runt ledningskanten i båda riktningarna, med elektroner som har en sorts snurr som rör sig medurs medan de med motsatt snurr rör sig moturs.

"Vi skapade en ovanlig typ av ledare längs kanten, säger Young, en Pappalardo postdoktor vid MIT:s fysikavdelning och tidningens huvudförfattare, "i stort sett en endimensionell tråd." Separationen av elektroner enligt spinn är "en normal egenskap hos topologiska isolatorer, " han säger, "men grafen är normalt inte en topologisk isolator. Vi får samma effekt i ett mycket annorlunda materialsystem."

Vad mer, genom att variera magnetfältet, "vi kan slå på och av dessa kanttillstånd, "Säger Young. Att byta kapacitet innebär att, i princip, "vi kan göra kretsar och transistorer av dessa, " han säger, som inte har förverkligats tidigare i konventionella topologiska isolatorer.

Det finns en annan fördel med denna spin -selektivitet, Young säger:Det förhindrar ett fenomen som kallas "backscattering, "vilket kan störa elektronernas rörelse. Som ett resultat, brister som vanligtvis förstör materialets elektroniska egenskaper har liten effekt. "Även om kanterna är smutsiga, 'elektroner överförs längs denna kant nästan perfekt, " han säger.

Jarillo-Herrero, Mitsui Career Development Associate Professor i fysik vid MIT, säger att beteendet som ses i dessa grafenflingor förutspåddes, men aldrig sett förut. Detta jobb, han säger, är första gången ett sådant spin-selektivt beteende har visats i ett enda ark med grafen, och också första gången någon har visat förmågan "att övergå mellan dessa två regimer".

Det kan i slutändan leda till ett nytt sätt att göra en slags kvantdator, Jarillo-Herrero säger, något som forskare har försökt göra, utan framgång, i årtionden. Men på grund av de extrema förhållanden som krävs, Young säger, "detta skulle vara en mycket specialiserad maskin" som endast används för beräkningsuppgifter med hög prioritet, som i nationella laboratorier.

Ashoori, professor i fysik, påpekar att de nyupptäckta kanttillstånden har ett antal överraskande egenskaper. Till exempel, även om guld är en exceptionellt bra elektrisk ledare, när guldklumpar läggs till kanten av grafenflingorna, de får det elektriska motståndet att öka. Guldklossarna gör att elektronerna kan backa ut i det motsatta resande tillståndet genom att blanda elektronspinnarna; ju mer guld läggs till, ju mer motståndet stiger.

Denna forskning representerar "en ny riktning" i topologiska isolatorer, Säger Young. "Vi vet inte riktigt vad det kan leda till, men det öppnar vårt tänkande om vilken typ av elektriska apparater vi kan göra. "

Experimenten krävde användning av ett magnetfält med en styrka på 35 tesla— "cirka 10 gånger mer än i en MR -maskin, "Jarillo-Herrero säger-och en temperatur på bara 0,3 grader Celsius över absolut noll. Men laget arbetar redan efter sätt att observera en liknande effekt vid magnetfält på bara en tesla - liknande en stark köksmagnet - och vid högre temperaturer.

Philip Kim, en professor i fysik vid Columbia University som inte var inblandad i detta arbete, säger, "Författarna här har vackert visat utmärkt kvantisering av konduktansen, "som förutsagt av teorin. Han tillägger, "Det här är ett mycket trevligt arbete som kan koppla topologisk isolatorfysik till grafens fysik med interaktioner. Detta arbete är ett bra exempel på hur de två mest populära ämnena inom kondensmaterialets fysik är kopplade till varandra."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.