Skannande elektronmikroskopi (SEM) bild av grafen nanokonstriktion:grafenmaterial visas i rött, 4 metallelektroder ses också. Upphovsman:B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, Taniguchi, S. V. Rotkin, Burgdörfer, C. Stampfer
Kvantmekanik är fysikens område som styr sakernas beteende på atomskala, där saker fungerar väldigt annorlunda än vår vardag.
En av de mest direkta manifestationerna av kvantmekanik är kvantisering. Kvantisering resulterar i den diskreta karaktären hos fysiska egenskaper vid små skalor, som kan vara radien för en atombana eller motståndet hos en molekyltråd. Den mest kända, som vann Albert Einstein Nobelpriset, är kvantiseringen av fotonenergin i den fotoelektriska effekten - observationen att många metaller avger elektroner när ljuset lyser på dem.
Kvantisering sker när en kvantpartikel är begränsad till ett litet utrymme. Dess vågfunktion utvecklar ett stående vågmönster, som vågor i en liten pöl. Fysiker talar då om storlekskvantisering:partikelns energi får endast ta de värden där nodmönstret för den stående vågen matchar systemgränsen.
En slående konsekvens av storlekskvantisering är kvantiserad konduktans:antalet partiklar som samtidigt kan passera en smal korridor, en så kallad nanokonstriktion, bli diskret. Som ett resultat är strömmen genom en sådan förträngning en heltalsmultipel av konduktanskvanten.
Dirac-kon som visar en typisk dispersionsrelation (energi mot momentum) för 2-D grafenmaterial. Röda tvärsnittslinjer representerar kvantisering av energin (och momentum) på grund av en begränsad begränsning. Upphovsman:B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, Taniguchi, S. V. Rotkin, Burgdörfer, C. Stampfer
I ett nyligen gemensamt experimentellt och teoretiskt arbete, en internationell grupp fysiker visade storlekskvantisering av laddningsbärare, dvs kvantiserad konduktans i nanoskalprover av grafen. Resultaten har publicerats i en artikel som heter "Storlekskvantisering av Dirac fermioner i grafenkonstriktioner" i Naturkommunikation .
Materialet grafen av hög kvalitet, ett enkelatomskikt kol, inbäddad i sexkantig bornitrid visar ovanlig fysik på grund av den sexkantiga - eller honungskammen - symmetrin hos dess gitter. Dock, observera storlekskvantisering av laddningsbärare i grafen -nanokonstriktioner har, tills nu, visat sig gäckande på grund av elektronvågens höga känslighet för störning.
Forskarna visade kvantiseringseffekter vid mycket låga temperaturer (flytande Helium), där påverkan av termisk störning upphör. Detta nya tillvägagångssätt - för inkapsling av grafenförträngningar mellan lager av bornitrid - tillät exceptionellt rena prover, och därmed mycket exakta mätningar.
Denna graf visar elektrisk konduktans, G, av elektroner (svarta) och hål (röda) i grafen -nanokonstriktion (visas i SEM -bild), som en funktion av elektron/hålvågvektor (momentum) som visar karakteristiska steg (kvantisering av konduktans) som indikeras med pilar. Upphovsman:B. Terrés, L.A. Chizhova, F. Libisch, J. Peiro, D. Jörger, S. Engels, A. Girschik, K. Watanabe, Taniguchi, S. V. Rotkin, Burgdörfer, C. Stampfer
Vid noll magnetfält, den uppmätta strömmen visar tydliga signaturer av storlekskvantisering, följer noga teoretiska förutsägelser. För att öka magnetfältet, dessa strukturer utvecklas gradvis till Landau -nivåerna för quantum Hall -effekten.
"Den höga känsligheten för denna övergång för spridning vid förträngningskanterna avslöjar oumbärliga detaljer om kantspridningens roll i framtida grafen -nanoelektroniska enheter, "sa Slava V. Rotkin, professor i fysik och materialvetenskap och teknik vid Lehigh University och medförfattare till studien.
Elektronvåg som passerar genom en smal förträngning. Upphovsman:TU Wien
