(Phys.org) - Individuella elektroner i grafen är masslösa, men när de rör sig tillsammans, det är en annan historia. Grafen, ett en-atom-tjockt kolark, har tagit fysikens värld med storm - delvis, eftersom dess elektroner beter sig som masslösa partiklar. Ändå verkar dessa elektroner ha dubbla personligheter. Fenomen som observerats inom området grafenplasmonik tyder på att när elektronerna rör sig kollektivt, de måste uppvisa massa.

Efter två års ansträngning, forskare under ledning av Donhee Ham, Gordon McKay professor i elektroteknik och tillämpad fysik vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), och hans student Hosang Yoon, Ph.D.'14, har framgångsrikt mätt den kollektiva massan av 'masslösa' elektroner i rörelse i grafen.

Genom att belysa de grundläggande kinetiska egenskaperna hos elektroner i grafen, denna forskning kan också utgöra en grund för skapandet av miniatyriserade kretsar med små, grafenbaserade komponenter.

Resultaten av Ham och Yoons komplexa mätningar, utförs i samarbete med andra experter vid Columbia University och National Institute for Materials Science i Japan, har publicerats online i Naturnanoteknik .

"Grafen är ett unikt material eftersom, effektivt, enskilda grafenelektroner fungerar som om de inte har någon massa. Vad det betyder är att de enskilda elektronerna alltid rör sig med en konstant hastighet, "förklarar Ham." Men antar att vi tillämpar en kraft, som ett elektriskt fält. De enskilda elektronernas hastighet förblir fortfarande konstant, men tillsammans, de accelererar och deras totala energi ökar - precis som enheter med massa. Det är ganska intressant. "

Utan denna massa, området för grafenplasmonik kan inte fungera, så Hams team visste att det måste vara där - men tills nu, ingen hade mätt det exakt.

"En av de största bidragen med detta arbete är att det faktiskt är en extremt svår mätning, säger Ham.

Som Newtons andra lag dikterar, en kraft som appliceras på en massa måste generera acceleration. Yoon och Ham visste att om de kunde applicera ett elektriskt fält på ett grafenprov och mäta elektronernas resulterande kollektiva acceleration, de kunde sedan använda dessa data för att beräkna den kollektiva massan.

Men grafenproven som använts i tidigare experiment var fyllda med brister och föroreningar - platser där en kolatom saknades eller hade ersatts av något annat. I de tidigare experimenten, elektroner skulle accelerera men mycket snabbt spridas när de kolliderade med orenheter och brister.

"Spridningstiden var så kort i dessa studier att du aldrig kunde se accelerationen direkt, säger Ham.

För att övervinna spridningsproblemet, flera smarta förändringar var nödvändiga.

Först, Ham och Yoon gick ihop med Philip Kim, en fysikprofessor vid Columbia som kommer att ansluta sig till Harvard -fakulteten den 1 juli som professor i fysik och tillämpad fysik. Harvardsexamen (doktorand '99), Kim är känd för sina banbrytande grundstudier av grafen och sin expertis i att tillverka grafenprover av hög kvalitet. Teamet kunde nu minska antalet föroreningar och brister genom att lägga in grafen mellan lagren av sexkantig bornitrid, ett isolerande material med en liknande atomstruktur. Genom att också samarbeta med James Hone, professor i maskinteknik vid Columbia, de utformade ett bättre sätt att ansluta elektriska signalledningar till den inklämda grafen. Och Yoon och Ham applicerade ett elektriskt fält vid en mikrovågsfrekvens, som möjliggör direkt mätning av elektronernas kollektiva acceleration i form av en fasfördröjning i strömmen.

"Genom att göra allt detta, vi översatte situationen från helt omöjligt till att vara på gränsen till att antingen se accelerationen eller inte, "säger Ham." Men svårigheten var fortfarande mycket skrämmande, och Hosang [Yoon] gjorde allt möjligt genom att utföra mycket fina och subtila mikrovågstekniker och mätningar - ett formidabelt experiment. "

"Till mig, det var ett segerrikt ögonblick som slutligen motiverade en långsiktig insats, gå igenom flera försök och fel, "säger Yoon, huvudförfattare till tidningen i Naturnanoteknik . "Tills dess, Jag var inte ens säker på om experimentet verkligen skulle vara möjligt, så det var som ett "genom mörker kommer ljus" -moment. "

Kollektiv massa är en viktig aspekt för att förklara plasmoniska beteenden i grafen. Genom att visa att grafenelektroner uppvisar en kollektiv massa och genom att mäta dess värde exakt, Yoon säger, "Vi tror att det kommer att hjälpa människor att förstå och designa mer sofistikerade plasmoniska enheter med grafen."

Teamets experiment avslöjade också att i grafen, kinetisk induktans (den elektriska manifestationen av kollektiv massa) är flera storleksordningar större än en annan, långt vanligare utnyttjad egenskap som kallas magnetisk induktans. Detta är viktigt i arbetet mot mindre och mindre elektroniska kretsar - huvudtemat för moderna integrerade kretsar - eftersom det betyder att samma induktansnivå kan uppnås i ett mycket mindre område. Vidare, Ham och Yoon säger att denna miniatyrgrafenbaserade kinetiska induktor kan möjliggöra skapandet av en fastspänningsstyrd induktor, komplement till den ofta använda spänningsstyrda kondensatorn. Det kan användas för att väsentligt öka frekvensinställningsområdet för elektroniska kretsar, vilket är en viktig funktion i kommunikationsapplikationer.

Tills vidare, utmaningen återstår att förbättra kvaliteten på grafenprover så att de skadliga effekterna av elektronspridning kan reduceras ytterligare.