Ohms lag är välkänd från fysikklassen. Den anger att motståndet hos en ledare och spänningen på den avgör hur mycket ström som kommer att flyta genom ledaren. Elektronerna i materialet – de negativt laddade bärarna – rör sig på ett oordnat sätt och i stort sett oberoende av varandra. Fysiker tycker att det är mycket mer intressant, dock, när laddningsbärarna påverkar varandra tillräckligt starkt för att den enkla bilden inte ska bli korrekt längre.

Det här är fallet, till exempel, i "Twisted Bilayer Graphene, " som upptäcktes för några år sedan. Det materialet är tillverkat av två wafer-tunna grafenlager som består av ett enda lager av kolatomer vardera. Om två närliggande lager är något vridna i förhållande till varandra, elektronerna kan påverkas på ett sådant sätt att de interagerar starkt med varandra. Som en konsekvens, materialet kan, till exempel, blir supraledande och leder därför ström utan några förluster.

Ett team av forskare ledda av Klaus Ensslin och Thomas Ihn vid Laboratory for Solid State Physics vid ETH Zürich, tillsammans med kollegor vid University of Texas i Austin (USA), har nu observerat ett nytt tillstånd i vridna dubbla lager av grafen. I det tillståndet, negativt laddade elektroner och positivt laddade så kallade hål, som saknar elektroner i materialet, är så starkt korrelerade med varandra att materialet inte längre leder elektrisk ström.

Vridna grafenlager

"I konventionella experiment, där grafenlager vrids med ungefär en grad i förhållande till varandra, elektronernas rörlighet påverkas av kvantmekanisk tunnling mellan lagren, " förklarar Peter Rickhaus, en post-doc och huvudförfattare till studien som nyligen publicerades i tidskriften Vetenskap . "I vårt nya experiment, däremot vi vrider två dubbla lager av grafen med mer än två grader i förhållande till varandra, så att elektroner i princip inte längre kan tunnla mellan de dubbla lagren."

Ökat motstånd genom koppling

Som ett resultat av detta, genom att applicera ett elektriskt fält, elektroner kan skapas i ett av de dubbla lagren och hål i det andra. Både elektroner och hål kan leda elektrisk ström. Därför, man skulle förvänta sig att de två dubbla grafenskikten tillsammans skulle bilda en ännu bättre ledare med ett mindre motstånd.

Under vissa omständigheter, dock, raka motsatsen kan hända, som Folkert de Vries, en post-doc i Ensslins team, förklarar:"Om vi ​​justerar det elektriska fältet på ett sådant sätt att det har samma antal elektroner och hål i de dubbla lagren, motståndet ökar plötsligt kraftigt." Under flera veckor kunde Ensslin och hans medarbetare inte förstå det överraskande resultatet, men så småningom gav deras teorikollega Allan H. MacDonald från Austin dem en avgörande vink:Enligt MacDonald, de hade observerat en ny sorts densitetsvåg.

Så kallade laddningstäthetsvågor uppstår vanligtvis i endimensionella ledare när elektronerna i materialet tillsammans leder elektrisk ström och även rumsligt ordnar sig i vågor. I experimentet utfört av ETH-forskarna, det är nu elektronerna och hålen som parar sig med varandra genom elektrostatisk attraktion och bildar därmed en kollektiv densitetsvåg. Den densitetsvågen, dock, består nu av elektriskt neutrala elektron-hål-par, så att de två dubbla skikten tillsammans inte längre kan leda elektrisk ström.

Nytt korrelerat tillstånd

"Det är ett helt nytt korrelerat tillstånd av elektroner och hål som inte har någon total laddning, " säger Ensslin. "Denna neutrala stat kan, ändå, överföra information eller leda värme. Dessutom, Det som är speciellt med det är att vi helt kan kontrollera det genom vridningsvinkeln och den applicerade spänningen." Liknande tillstånd har observerats i andra material där elektron-hålspar (även kända som excitoner) skapas genom excitation med laserljus. I experimentet vid ETH, dock, elektronerna och hålen är i sitt grundtillstånd, eller tillstånd med lägst energi, vilket innebär att deras livstid inte begränsas av spontant förfall.

Möjlig tillämpning inom kvantteknik

Ensslin, som är specialiserad på undersökning av de elektroniska egenskaperna hos små kvantsystem, spekulerar redan om möjliga praktiska tillämpningar för det nya korrelerade tillståndet. Dock, detta kommer att kräva en hel del förberedande arbete. Man skulle kunna fånga elektron-hål-paren, till exempel i en (Fabry-Pérot) resonator. Det är väldigt krävande, eftersom neutrala partiklar inte kan kontrolleras direkt, till exempel genom att använda elektriska fält. Det faktum att staten är elektriskt neutral kan, å andra sidan, visa sig vara en fördel:Det skulle kunna utnyttjas för att göra kvantminnen mindre mottagliga för elektriskt fältbrus.