Nya experiment har visat att det är möjligt för extremt höga strömmar att passera genom grafen, en form av kol. Detta gör att obalanser i elektrisk laddning snabbt kan åtgärdas.

Ännu en gång, grafen har visat sig vara ett ganska speciellt material:en internationell forskargrupp ledd av professor Fritz Aumayr från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien kunde visa att elektronerna i grafen är extremt rörliga och reagerar mycket snabbt. Att träffa xenonjoner med en särskilt hög elektrisk laddning på en grafenfilm gör att ett stort antal elektroner slits bort från grafenet på en mycket exakt plats. Dock, materialet kunde ersätta elektronerna inom några femtosekunder. Detta resulterade i extremt höga strömmar, som inte skulle upprätthållas under normala omständigheter. Dess extraordinära elektroniska egenskaper gör grafen till en mycket lovande kandidat för framtida tillämpningar inom elektronikområdet.

Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf och University of Duisburg-Essen deltog i experimentet tillsammans med TU Wien. Det internationella teamet fick teoretiskt stöd från Paris och San Sebastian samt från intern personal (Institute of Theoretical Physics vid TU Wien).

Högt laddade joner

"Vi arbetar med extremt högt laddade xenonjoner, " förklarar Elisabeth Gruber, en doktorand från professor Aumayrs forskarlag. 'Upp till 35 elektroner avlägsnas från xenonatomerna, vilket betyder att atomerna har en hög positiv elektrisk laddning.'

Dessa joner avfyras sedan mot ett fristående enda lager av grafen, som kläms fast mellan mikroskopiskt små fästen. "Xenonjonen penetrerar grafenfilmen, därigenom slår ut en kolatom ur grafenet – men det har väldigt liten effekt, eftersom gapet som har öppnats i grafenet sedan fylls på med en annan kolatom, förklarar Elisabeth Gruber. 'För oss, vad som är mycket mer intressant är hur det elektriska fältet hos den högladdade jonen påverkar elektronerna i grafenfilmen.'

Detta sker redan innan den högt laddade xenonjonen kolliderar med grafenfilmen. När den högladdade jonen närmar sig börjar den slita bort elektroner från grafenet på grund av dess extremt starka elektriska fält. När jonen helt har passerat genom grafenskiktet, den har en positiv laddning på mindre än 10, jämfört med över 30 när det började. Jonen kan extrahera mer än 20 elektroner från en liten del av grafenfilmen.

Detta betyder att elektroner nu saknas i grafenskiktet, så kolatomerna som omger anslagspunkten för xenonjonerna är positivt laddade. "Vad du skulle förvänta dig att hända nu är att dessa positivt laddade koljoner stöter bort varandra, flyger iväg i vad som kallas en Coulomb-explosion och lämnar en stor lucka i materialet, säger Richard Wilhelm från Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf, som för närvarande arbetar på TU Wien som postdoktor. "Men häpnadsväckande nog, så är inte fallet. Den positiva laddningen i grafen neutraliseras nästan omedelbart.'

Detta är endast möjligt eftersom ett tillräckligt antal elektroner kan ersättas i grafenet inom en extremt kort tidsram på flera femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund). "Materialets elektroniska reaktion på störningen som orsakas av xenonjonen är extremt snabb. Starka strömmar från närliggande områden av grafenfilmen återförsörjer omedelbart elektroner innan en explosion orsakas av de positiva laddningarna som stöter bort varandra, förklarar Elisabeth Gruber. "Strömtätheten är cirka 1000 gånger högre än den som skulle leda till att materialet förstörs under normala omständigheter - men över dessa avstånd och tidsskalor, grafen kan stå emot sådana extrema strömmar utan att ta skada.'

Ultrasnabb elektronik

Denna extremt höga elektronrörlighet i grafen är av stor betydelse för ett antal potentiella tillämpningar:"Förhoppningen är att just av denna anledning, det kommer att vara möjligt att använda grafen för att bygga ultrasnabb elektronik. Grafen verkar också vara utmärkt lämpad för användning i optik, till exempel vid anslutning av optiska och elektroniska komponenter, säger Aumayr.