En grupp forskare ledda av Sir Andre Geim och Dr Alexey Berdyugin vid University of Manchester har upptäckt och karakteriserat en ny familj av kvasipartiklar som heter "Brown-Zak fermioner" i grafenbaserade supergitter.

Teamet uppnådde detta genombrott genom att anpassa atomgittret i ett grafenskikt till det för ett isolerande bornitridark, dramatiskt ändra egenskaperna hos grafenarket.

Studien följer år av successiva framsteg inom grafen-bornitrid supergitter som möjliggjorde observation av ett fraktalt mönster känt som Hofstadters fjäril – och idag (fredag, 13 november) rapporterar forskarna ett annat mycket överraskande beteende hos partiklar i sådana strukturer under applicerat magnetfält.

"Det är välkänt, att i noll magnetfält, elektroner rör sig i raka banor och om du applicerar ett magnetfält börjar de böjas och röra sig i cirklar", förklara Julien Barrier och Dr. Piranavan Kumaravadivel, som utförde försöksarbetet.

"I ett grafenlager som har riktats mot bornitriden, elektroner börjar också böjas — men om du ställer in magnetfältet på specifika värden, elektronerna rör sig i räta banor igen, som om det inte finns något magnetfält längre!"

"Ett sådant beteende skiljer sig radikalt från läroboksfysik." tillägger Dr. Piranavan Kumaravadivel.

"Vi tillskriver detta fascinerande beteende till bildandet av nya kvasipartiklar vid högt magnetfält, " säger Dr Alexey Berdyugin. "Dessa kvasipartiklar har sina egna unika egenskaper och exceptionellt hög rörlighet trots det extremt höga magnetfältet."

Som publicerat i Naturkommunikation , verket beskriver hur elektroner beter sig i ett supergitter av ultrahög kvalitet av grafen med ett reviderat ramverk för fraktaldragen hos Hofstadters fjäril. Grundläggande förbättringar i tillverkning av grafenanordningar och mättekniker under det senaste decenniet har gjort detta arbete möjligt.

"Begreppet kvasipartiklar är utan tvekan en av de viktigaste inom den kondenserade materiens fysik och kvantmångkroppssystem. Det introducerades av den teoretiske fysikern Lev Landau på 1940-talet för att skildra kollektiva effekter som en "en partikelexcitation", " förklarar Julien Barrier "De används i ett antal komplexa system för att ta hänsyn till effekter på många kroppar."

Tills nu, beteendet hos kollektiva elektroner i grafen supergitter ansågs i termer av Dirac fermion, en kvasipartikel som har unika egenskaper som liknar fotoner (partiklar utan massa), som replikerar vid höga magnetfält. Dock, detta tog inte hänsyn till vissa experimentella funktioner, som staternas ytterligare degeneration, inte heller matchade den kvasipartikelns ändliga massa i detta tillstånd.

Författarna föreslår att "Brown-Zak-fermioner" är familjen av kvasipartiklar som finns i supergitter under höga magnetfält. Detta kännetecknas av ett nytt kvanttal som direkt kan mätas. Intressant, genom att arbeta vid lägre temperaturer kunde de lyfta degenerationen med utbytesinteraktioner vid ultralåga temperaturer.

"Under närvaron av ett magnetfält, elektroner i grafen börjar rotera med kvantiserade banor. För Brown-Zak fermioner, vi lyckades återställa en rak bana på tiotals mikrometer under höga magnetfält upp till 16T (500, 000 gånger jordens magnetfält). Under särskilda förhållanden, de ballistiska kvasipartiklarna känner inget effektivt magnetfält, " förklarar Dr Kumaravdivel och Dr Berdyugin.

I ett elektroniskt system, rörligheten definieras som kapaciteten för en partikel att färdas vid applicering av en elektrisk ström. Hög rörlighet har länge varit den heliga gralen vid tillverkning av 2D-system som grafen eftersom sådana material skulle uppvisa ytterligare egenskaper (heltals- och fraktionerad kvanthalleffekter), och potentiellt möjliggöra skapandet av ultrahögfrekventa transistorer, komponenterna i hjärtat av en datorprocessor.

"För denna studie förberedde vi grafenenheter som är extra stora med en mycket hög renhetsnivå". säger Dr Kumaravadivevel. Detta gjorde det möjligt för oss att uppnå rörligheter på flera miljoner cm²/Vs, vilket innebär att partiklar skulle färdas rakt över hela enheten utan att spridas. Viktigt, detta var inte bara fallet för klassiska Dirac-fermioner i grafen, men också insett för de Brown-Zak fermioner som rapporterats i arbetet.

Dessa Brown-Zak fermioner definierar nya metalliska tillstånd, som är generiska för alla supergittersystem, inte bara grafen och erbjuder en lekplats för nya fysiska problem med kondenserad materia i andra 2D-materialbaserade supergitter.

Julien Barrier tillade "Fynden är viktiga, naturligtvis för grundläggande studier i elektrontransport, men vi tror att förståelse av kvasipartiklar i nya supergitterenheter under höga magnetfält kan leda till utvecklingen av nya elektroniska enheter."

Den höga rörligheten innebär att en transistor gjord av en sådan enhet skulle kunna fungera vid högre frekvenser, låta en processor gjord av detta material utföra fler beräkningar per tidsenhet, vilket resulterar i en snabbare dator. Att applicera ett magnetfält skulle vanligtvis skala ner rörligheten och göra en sådan enhet oanvändbar för vissa tillämpningar. Brown-Zak-fermioners höga rörlighet vid höga magnetfält öppnar ett nytt perspektiv för elektroniska enheter som arbetar under extrema förhållanden.