University of Maryland (UMD) forskare har gjort en genombrott upptäckt inom grafenforskning som kan ge en testbädd för att förstå hur elektroner rör sig i extremt höga magnetfält. Sedan upptäckten 2004 grafen har blivit en kändis i materialvetenskap och fysik världen på grund av dess anmärkningsvärda fysiska egenskaper.

Ett av de tunnaste och starkaste material som någonsin tillverkats på jorden med otroliga ledningsförmåga, grafen har snabbt blivit ett av de mest mångsidiga material som upptäckts. Grafenrelaterad forskning driver för närvarande potentiellt revolutionerande nya applikationer inom allt från snabbare elektronik, bärbar teknik och smarta kläder för bättre energilagring, sensorer och medicinsk utrustning. Och nu, mekaniska ingenjörer vid UMD kan ha hittat ett sätt att göra det ännu kraftfullare.

Doktorand Shuze Zhu och docent Teng Li (extern länk), tillsammans med National Institute of Standards and Technology (NIST) samarbetspartner Joseph Stroscio, har utvecklat en teoretisk modell som visar hur man formar och sträcker grafen för att skapa en kraftfull, justerbar och hållbar magnetisk kraft.

Vid sträckning, eller ansträngd, grafens elektroner beter sig som om de befinner sig i ett starkt magnetfält. Denna så kallade pseudomagnetiska effekt kan öppna nya möjligheter inom grafenelektronik, men hittills, forskare har bara kunnat framkalla sådana pseudofält som har varit mycket lokaliserade och behöver speciella lastningsförhållanden som är oöverkomliga att realisera i praktiken. Dock, Maryland -forskare kan ha förklarat hur man formar ett grafenband så att ett enkelt drag i dess två ändar ger ett enhetligt pseudomagnetiskt fält. Och med nuvarande nanofabricationsteknik, laget är övertygat om att de snart kommer att kunna överföra sin teoretiska modell till en designverklighet.

"Våra resultat avslöjar en enkel men effektiv lösning för att uppnå extremt högt pseudomagnetiskt fält i en plan grafen med en enkel sträcka, "sade forskningsledaren docent Teng Li.

År 2010, forskare upptäckte av misstag att vid hantering av ett tvådimensionellt galler av grafen, en liten triangulär, bubblform som skapades i materialet orsakade ett pseudomagnetiskt fält i den lilla bubblan så högt som 300 Tesla - långt utöver vad som kan uppnås med stabila laboratoriemagneter. Det aktuella rekordet för ett laboratorieproducerat magnetfält är bara 85 tesla under mindre än en liten bråkdel av en sekund.

Även om det verkar tillräckligt enkelt att sträcka ett material i två riktningar - som att dra i ändarna på ett gummiband - upptäckte laget att grafenarket inte bara måste sträckas, men att arket också måste formas på ett specifikt sätt. En enkel rektangel eller kvadrat av grafen, vid sträckning, skulle inte skapa ett pseudomagnetiskt fält.

Men när grafen formades till en avsmalnande form som en trapets eller vimpel, att dra i ändarna ger en belastning som stadigt ökade längs bandets längd, och denna konstanta töjningsgradient ger en enhetlig, och kontrollerbar, pseudomagnetiskt fält. Och desto mer belastning appliceras på materialet, desto större magnetkraft. Lagets modell, som verifierades i tre beräkningsmodeller, förutspår en avstämbar fältstorlek från noll till 200 Tesla.

Denna typ av kontrollerat pseudomagnetiskt fält skapar potential för nya sätt att studera elektronernas rörelse i ett kontrollerbart högmagnetiskt fält. För närvarande, det finns ingen hållbar metod för att generera magnetfält av denna storlek. De inducerade fälten - om de görs mer rumsligt enhetliga - kan eventuellt möjliggöra nya begrepp inom elektronik, som "valleytronics, "där elektroner separerar mellan olika dalar i grafenbandstrukturen.