Ett team av Graphene Flagship -forskare under ledning av University of Manchester rapporterade i tidningen Vetenskap visar den första nya typen av kvantoscillation som ska rapporteras på trettio år. Detta sker genom att applicera ett magnetfält och det är det första i sitt slag som är närvarande vid hög temperatur och på mesoskala. Denna forskning belyser också fenomenet Hofstadterfjäril.

Kvantteori är studier av fysik på atom- och subatomär nivå. Den kvantiserar energi och momentum och visar hur objekt karakteriseras som både partiklar och vågor. Kvantoscillationer kan användas för att kartlägga egenskaperna hos nya material i närvaro av ett magnetfält. Det här dokumentet visar hur det är möjligt att ställa in magnetfältet som appliceras på en heterostruktur som består av grafen och bornitrid för att skapa en mängd olika elektroniska material.

Supergitteret, skapad i grafen genom sin exakta placering med avseende på ett periodiskt arrangerat bornitridlager, interagerar med magnetfältet på ett sådant sätt att det är möjligt att justera dess svängning för att tillverka band och luckor i dess elektronikstruktur - vilket betyder att magnetfältet kan användas för att ställa in materialen för att vara metalliska, halvledande eller ledande.

Andre Geim, en ledande medlem i teamet och 2010 års Nobelpristagare, säger "Oscillerande kvanteffekter presenterar alltid milstolpar i vår förståelse av materialegenskaper. De är oerhört sällsynta. Det är mer än 30 år sedan en ny typ av kvantoscillation rapporterades." Han tillade "Våra svängningar sticker ut genom sin extrema robusthet, sker under omgivande förhållanden i lättillgängliga magnetfält. "

Detta arbete belyser också Hofstadters fjäril, ett fraktalt mönster som beskriver elektronernas beteende i ett magnetfält, mätt experimentellt för första gången 2013 med hjälp av en grafen- och bor-nitrid-heterostruktur. I det ursprungliga teoretiska arbetet som Hofstadters fjäril bygger på behandlades elektronerna som modellerades för att skapa fraktalmönstret som Bloch -elektroner (elektroner som inte interagerar med varandra och rör sig inom en periodisk elektrisk potential inom ett gitter). Forskningen som visas här illustrerar hur dessa komplexa fraktalmönster kan betraktas som Langmuir -kvantisering, vilket är kvantisering av cyklotronbanor (ta det som normalt betraktas som en cirkulär bana och istället betrakta det som linjärt)

Professor Vladimir Falko, Direktören för National Graphene Institute kommenterade "Vårt arbete hjälper till att avmystifiera Hofstadterfjärilen. Den komplexa fraktalstrukturen i Hofstadter fjärilspektrum kan förstås som enkel Landau -kvantisering i sekvensen av nya metaller skapade av magnetfält."

Professor Bart van Wees, Chef för gruppen Physics of Nanodevices vid Zernike Institute for Advanced Materials, Groningen, Nederländerna tillade "Vi har alltid betraktat kvantoscillationer som mycket spröda, lätt förstörs vid högre temperaturer men författarna har visat att dessa nu kan observeras vid rumstemperatur, eller ännu högre. Detta är goda nyheter för möjliga nya tillämpningar av dessa och andra system som är baserade på Van der Waals stapling av tvådimensionella material. "