Att använda elektroner mer som fotoner kan utgöra grunden för en ny typ av elektronisk anordning som skulle dra nytta av grafenens förmåga att bära elektroner med nästan inget motstånd även vid rumstemperatur - en egenskap som kallas ballistisk transport.

Forskning som rapporterades denna vecka visar att elektriskt motstånd i nanoband av epitaxiell grafen förändras i diskreta steg enligt kvantmekaniska principer. Forskningen visar att grafennanorbanden fungerar mer som optiska vågledare eller kvantprickar, låter elektronerna flöda smidigt längs materialets kanter. I vanliga ledare som koppar, resistansen ökar i proportion till längden när elektroner möter fler och fler föroreningar när de rör sig genom ledaren.

De ballistiska transportegenskaperna, liknande de som observeras i cylindriska kolnanorör, överträffa teoretiska konduktansförutsägelser för grafen med en faktor 10. Egenskaperna mättes i grafen nanoband cirka 40 nanometer breda som hade odlats på kanterna av tredimensionella strukturer etsade in i kiselkarbidskivor.

"Detta arbete visar att vi kan kontrollera grafenelektroner på väldigt olika sätt eftersom egenskaperna är verkligen exceptionella, sade Walt de Heer, en Regents professor vid School of Physics vid Georgia Institute of Technology. "Detta kan resultera i en ny klass av sammanhängande elektroniska enheter baserade på rumstemperatur ballistisk transport i grafen. Sådana enheter skulle skilja sig mycket från vad vi gör idag i kisel."

Forskningen, som stöddes av National Science Foundation, flygvapnets kontor för vetenskaplig forskning och W.M. Keck Foundation, rapporterades 5 februari i tidskriften Natur . Forskningen gjordes genom ett samarbete mellan forskare från Georgia Tech i USA, Leibniz Universität Hannover i Tyskland, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Frankrike och Oak Ridge National Laboratory i USA.

I nästan ett decennium, Forskare har försökt använda grafenens unika egenskaper för att skapa elektroniska enheter som fungerar ungefär som befintliga halvledarchips av kisel. Men dessa ansträngningar har haft begränsad framgång eftersom grafen – ett gitter av kolatomer som kan göras så lite som ett lager tjockt – inte enkelt kan ges det elektroniska bandgap som sådana enheter behöver för att fungera.

De Heer hävdar att forskare borde sluta försöka använda grafen som kisel, och istället använda dess unika elektrontransportegenskaper för att designa nya typer av elektroniska enheter som kan möjliggöra ultrasnabb beräkning – baserat på en ny metod för switching. Elektroner i grafennanobanden kan röra sig tiotals eller hundratals mikrometer utan att spridas.

"Detta konstanta motstånd är relaterat till en av fysikens grundläggande konstanter, konduktans kvantum, " sa de Heer. "Motståndet i denna kanal beror inte på temperaturen, och det beror inte på mängden ström du lägger genom den."

Vad stör flödet av elektroner, dock, mäter motståndet med en elektrisk sond. Mätningarna visade att beröring av nanobanden med en enda sond fördubblar motståndet; vidrör den med två sonder tredubblar motståndet.

"Elektronerna träffar sonden och sprider sig, " förklarade de Heer. "Det är mycket som en bäck där vattnet rinner fint tills du lägger stenar i vägen. Vi har gjort systematiska studier för att visa att när du rör vid nanorbanden med en sond, du introducerar en metod för elektronerna att sprida, och det förändrar motståndet."

Nanobanden odlas epitaxiellt på kiselkolwafers i vilka mönster har etsats med användning av standardtekniker för mikroelektroniktillverkning. När skivorna värms upp till cirka 1, 000 grader Celsius, kisel drivs företrädesvis bort längs kanterna, bildar grafennanorband vars struktur bestäms av mönstret på den tredimensionella ytan. En gång vuxit, nanobanden kräver ingen ytterligare bearbetning.

Fördelen med att tillverka grafen nanoband på detta sätt är att det ger kanter som är perfekt släta, glödgad av tillverkningsprocessen. De släta kanterna tillåter elektroner att flöda genom nanobanden utan avbrott. Om traditionella etsningstekniker används för att skära nanoband från grafenark, de resulterande kanterna är för grova för att tillåta ballistisk transport.

"Det verkar som att strömmen främst flyter på kanterna, " sa de Heer. "Det finns andra elektroner i huvuddelen av nanobanden, men de interagerar inte med elektronerna som flödar vid kanterna."

Elektronerna på kanten flödar mer som fotoner i optisk fiber, hjälpa dem att undvika spridning. "Dessa elektroner beter sig mer som ljus, " sa han. "Det är som ljus som går genom en optisk fiber. På grund av hur fibern är tillverkad, ljuset sänder utan att spridas."

Elektronrörlighetsmätningar som överstiger en miljon motsvarar ett arkresistans på en ohm per kvadrat som är två storleksordningar lägre än vad som observeras i tvådimensionell grafen – och tio gånger mindre än de bästa teoretiska förutsägelserna för grafen.

"Detta borde möjliggöra ett nytt sätt att göra elektronik, " sa de Heer. "Vi kan redan styra dessa elektroner och vi kan byta dem med rudimentära medel. Vi kan sätta en vägspärr, och sedan öppna den igen. Nya typer av omkopplare för detta material är nu vid horisonten."

Teoretiska förklaringar till vad forskarna har mätt är ofullständiga. De Heer spekulerar i att grafennanorbanden kan producera en ny typ av elektronisk transport som liknar det som observeras i supraledare.

"Det finns mycket grundläggande fysik som måste göras för att förstå vad vi ser, ", tillade han. "Vi tror att detta visar att det finns en verklig möjlighet för en ny typ av grafenbaserad elektronik."

Georgia Tech-forskare har varit pionjärer inom grafenbaserad elektronik sedan 2001, som de har patent på, inlämnad 2003. Tekniken innebär etsning av mönster i kiselkarbidskivor av elektronikkvalitet, värm sedan upp wafers för att driva bort kisel, lämnar mönster av grafen.