En internationell forskargrupp ledd av universitetet i Göttingen har upptäckt nya kvanteffekter i högprecisionsstudier av naturligt dubbelskiktsgrafen och har tolkat dem tillsammans med University of Texas i Dallas med hjälp av deras teoretiska arbete. Denna forskning ger nya insikter om samspelet mellan laddningsbärarna och de olika faserna, och bidrar till förståelsen av de processer som är involverade. LMU i München och National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, var också involverade i forskningen. Resultaten publicerades i Nature .

Det nya materialet grafen, ett oblattunt lager av kolatomer, upptäcktes först av ett brittiskt forskarlag 2004. Bland andra ovanliga egenskaper är grafen känt för sin utomordentligt höga elektriska ledningsförmåga. Om två individuella grafenlager vrids i en mycket specifik vinkel mot varandra blir systemet till och med supraledande (dvs leder elektricitet utan motstånd) och uppvisar andra spännande kvanteffekter som magnetism. Framställningen av sådana tvinnade dubbelskikt av grafen har dock hittills krävt ökad teknisk ansträngning.

Denna nya studie använde den naturligt förekommande formen av dubbelskiktsgrafen, där ingen komplex tillverkning krävs. I ett första steg isoleras provet från en grafitbit i laboratoriet med en enkel tejp. För att observera kvantmekaniska effekter applicerade Göttingen-teamet sedan ett högt elektriskt fält vinkelrätt mot provet:den elektroniska strukturen i systemet förändras och en kraftig ansamling av laddningsbärare med liknande energi uppstår.

Vid temperaturer strax över den absoluta nollpunkten på minus 273,15 grader Celsius kan elektronerna i grafenet interagera med varandra — och en mängd komplexa kvantfaser dyker upp helt oväntat. Interaktionerna får till exempel elektronernas spinn att riktas in, vilket gör materialet magnetiskt utan ytterligare yttre påverkan. Genom att förändra det elektriska fältet kan forskare kontinuerligt förändra styrkan i laddningsbärarnas interaktioner i dubbelskiktsgrafenen. Under specifika förhållanden kan elektronerna vara så begränsade i sin rörelsefrihet att de bildar sitt eget elektrongitter och inte längre kan bidra till att transportera laddning på grund av deras ömsesidiga repulsiva interaktion. Systemet är då elektriskt isolerande.

"Framtida forskning kan nu fokusera på att undersöka ytterligare kvanttillstånd", säger professor Thomas Weitz och Ph.D. student Anna Seiler, Fysiska fakulteten vid Göttingen universitet. "För att komma åt andra applikationer, till exempel nya datorsystem som kvantdatorer, skulle forskare behöva hitta hur dessa resultat skulle kunna uppnås vid högre temperaturer. En stor fördel med det nuvarande systemet som utvecklats i vår nya forskning ligger dock i enkelheten i tillverkningen av materialen." + Utforska vidare

Ny kvanteffekt upptäckt i naturligt förekommande grafen