Ett team av forskare från universiteten i Manchester, Nottingham och Loughborough har upptäckt ett kvantfenomen som hjälper till att förstå grafenelektronikens grundläggande gränser.

Publicerad i Naturkommunikation , verket beskriver hur elektroner i ett enda atomtunt ark av grafen sprider bort de vibrerande kolatomerna som utgör det sexkantiga kristallgitteret.

Genom att applicera ett magnetfält vinkelrätt mot grafenplanet, de strömförande elektronerna tvingas röra sig i slutna cirkulära "cyklotronbanor". I ren grafen, det enda sättet på vilket en elektron kan fly från denna bana är genom att studsa av ett "fonon" i en spridningshändelse. Dessa fononer är partikelliknande buntar av energi och momentum och är "kvanta" av ljudvågorna som är associerade med den vibrerande kolatomen. Fononerna genereras i ökande antal när grafenkristallen värms upp från mycket låga temperaturer.

Genom att leda en liten elektrisk ström genom grafenarket, laget kunde mäta exakt mängden energi och momentum som överförs mellan en elektron och en fonon under en spridningshändelse.

Deras experiment avslöjade att två typer av fononer sprider elektronerna:transversella akustiska (TA) fononer där kolatomerna vibrerar vinkelrätt mot fononernas utbredningsriktning och vågrörelse (något analogt med ytvågor på vatten) och longitudinella akustiska (LA) fononer där kolatomerna vibrerar fram och tillbaka längs fononens riktning och vågrörelsen; (denna rörelse är något analog med ljudvågornas rörelse genom luft).

Mätningarna ger ett mycket exakt mått på hastigheten för båda typerna av fononer, en mätning som annars är svår att göra för fallet med ett enda atomlager. Ett viktigt resultat av experimenten är upptäckten att TA fononspridning dominerar över LA fononspridning.

Det observerade fenomenet, kallas vanligen magnetofononsvängning, uppmättes i många halvledare år före upptäckten av grafen. Det är ett av de äldsta kvanttransportfenomen som har varit känt i mer än 50 år, före kvanthalleffekten. Medan grafen har ett antal nya, exotiska elektroniska egenskaper, detta ganska grundläggande fenomen har förblivit dolt.

Laurence Eaves &Roshan Krishna Kumar, medförfattare till verket sa:"Vi blev positivt överraskade över att hitta så framträdande magnetofononsvängningar som förekommer i grafen. Vi blev också förundrade över varför människor inte hade sett dem tidigare, med tanke på den omfattande mängden litteratur om kvanttransport i grafen."

Deras utseende kräver två nyckelingredienser. Först, teamet var tvungen att tillverka högkvalitativa grafentransistorer med stora ytor vid National Graphene Institute. Om enhetsdimensionerna är mindre än några mikrometer kunde fenomenen inte observeras.

Piranavan Kumaravadivel från University of Manchester, huvudförfattaren till tidningen sa:"I början av kvanttransportexperiment, människor som brukade studera makroskopiska, millimeterstora kristaller. I det mesta av arbetet med kvanttransport på grafen, de studerade enheterna är vanligtvis bara några mikrometer stora. Det verkar som att tillverkning av större grafenenheter inte bara är viktigt för applikationer utan nu också för grundläggande studier."

Den andra ingrediensen är temperatur. De flesta kvanttransportexperiment med grafen utförs vid ultrakalla temperaturer för att bromsa de vibrerande kolatomerna och "frysa ut" fononerna som vanligtvis bryter kvantkoherensen. Därför, grafenet värms upp eftersom fononerna måste vara aktiva för att orsaka effekten.

Mark Greenaway, från Loughborough University, som arbetade med kvantteorin om denna effekt, sa, "Det här resultatet är extremt spännande – det öppnar en ny väg för att undersöka egenskaperna hos fononer i tvådimensionella kristaller och deras heterostrukturer. Detta kommer att tillåta oss att bättre förstå elektron-fonon-interaktioner i dessa lovande material, förståelse som är avgörande för att utveckla dem för användning i nya enheter och applikationer."