(Phys.org) — Grafen – det tunnaste och starkaste kända materialet i universum och en formidabel ledare av elektricitet och värme – får många av sina fantastiska egenskaper från det faktum att det bara upptar två dimensioner:det har längd och bredd men ingen höjd , eftersom den är gjord av ett enda lager av atomer.

Nu har forskare upptäckt ett 3D-material som beter sig som 2D-grafen. Även om detta speciella material är mycket instabilt, forskningen visar att det kan vara möjligt att hitta ett material med de egenskaper grafen har att erbjuda i en tjockare, robustare form som är lättare att skapa till elektroniska enheter.

Forskargruppen, inklusive forskare från SLAC och Lawrence Berkeleys nationella laboratorier, rapporterade sina resultat i dag Science Express .

"Ända sedan grafen isolerades 2004, forskare runt om i världen har letat efter sätt att dra full nytta av dess många önskvärda egenskaper, sa Yulin Chen från University of Oxford, som var fysiker vid Berkeley Lab när han initierade studien. "Men just det som gör grafen speciellt – det faktum att det består av ett enda lager av atomer – gör det ibland svårt att arbeta med, och en utmaning att tillverka."

Grafen är en enatoms tjock skiva av kolatomer skalade från en bit grafit, som är bekant som bly i pennor. Ett av dess kännetecken är det konstiga beteendet hos dess elektroner:när de är begränsade till detta tunna lager av regelbundet åtskilda atomer, dessa lätta partiklar fungerar som om de inte har någon massa alls. Detta gör att de kan dra igenom materialet mycket snabbare än vanligt. Forskare undersöker sätt att använda dessa egenskaper för att göra mycket snabba transistorer, sensorer och till och med genomskinliga elektroder.

Några år sedan, teoretiker föreslog att ett tjockare material - tekniskt känt som en tredimensionell topologisk Dirac-halvmetall - kan ha samma elektroniska egenskaper som 2D-grafen. Tävlingen var igång för att se om detta var sant. Om sådant material fanns, det skulle utgöra ett nytt kvanttillstånd av materia, definieras av det unika beteendet hos dess elektroner.

Chens grupp undersökte en natrium-vismutförening, Na ₃ Bi som hade identifierats som en trolig kandidat av teoretiker Zhong Fang och Xi Dai från den kinesiska vetenskapsakademin, som är medförfattare till den nya rapporten.

Hans labb i Oxford gjorde prover av föreningen och flög dem till Berkeley Labs avancerade ljuskälla för tester – mycket svårare av det faktum att Na ₃ Bi börjar bubbla och förvandlas till pulver när den utsätts för luft.

"Detta material hade producerats för länge sedan, men folk hade inte de kraftfulla verktyg de behövde för att mäta dess elektroniska struktur, " sa Zhongkai Liu, en doktorand med SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC, som utförde testerna med postdoktorn Bo Zhou från Berkeley Lab och Oxford.

Noggranna tester visade att Na ₃ Bis elektroniska struktur gör att den kan bete sig som grafen, sa Liu. Även om denna speciella förening är för instabil för att användas i enheter, teamet testar mer stabila föreningar och letar efter sätt att skräddarsy dem för applikationer, han sa.

Joel E. Moore, en fysiker för kondenserad materia vid University of California-Berkeley och Berkeley Lab som inte var involverad i forskningen, noterade i en nyligen publicerad onlinekommentar att andra forskargrupper också har sökt efter kandidatföreningar, med flera opublicerade rapporter om framgång.

Nästa fråga, han skrev, är "om dessa 3D-halvmetaller kommer att stödja lika många intressanta fenomen som grafen gör." Han tillade att dessa material kan vara en utgångspunkt för andra materiatillstånd, och att uppsjön av nya exempel "bör leda till en bredare övervägande av teoretiker av vilken intressant fysik denna klass av material kan möjliggöra."