Квантовая электроника показала, что заряд в двухслойном графене распространяется как свет
Международная исследовательская группа под руководством Гёттингенского университета экспериментально продемонстрировала, что электроны в встречающемся в природе двухслойном графене движутся как частицы без какой-либо массы, точно так же, как распространяется свет. Более того, они показали, что ток можно «включать» и выключать, что имеет потенциал для разработки крошечных энергоэффективных транзисторов — таких как выключатель света в доме, но на наноуровне. Это свойство быстро движущихся электронов было теоретически предсказано еще в 2009 году, но учёным потребовалось значительно улучшить качество образцов. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Контуры поверхности Ферми и квантовые состояния Холла двухслойного графена Бернала при D = 0.
Фото: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47342-0
В исследовании также приняли участие Массачусетский технологический институт (MIT) в США и Национальный институт материаловедения (NIMS) в Японии. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.
Графен был идентифицирован в 2004 году и представляет собой один слой атомов углерода. Среди многих необычных свойств графен известен своей чрезвычайно высокой электропроводностью благодаря высокой и постоянной скорости электронов, проходящих через этот материал. Эта уникальная особенность заставила ученых мечтать об использовании графена для создания гораздо более быстрых и энергоэффективных транзисторов.
Проблема заключалась в том, что для изготовления транзистора необходимо контролировать, чтобы материал имел хорошие изолирующие свойства в дополнение к его высокой проводимости. Однако в графене такого «переключения» скорости носителя добиться нелегко. Фактически, графен обычно не имеет изолирующего состояния, что ограничивает потенциал графена как транзистора.
Команда Геттингенского университета обнаружила, что два слоя графена, встречающиеся в естественной форме двухслойного графена, сочетают в себе лучшее из обоих миров: структура, которая поддерживает удивительно быстрое движение электронов, движущихся как свет, как будто они не имеют массы, помимо изолирующего состояния. Исследователи показали, что это состояние можно изменить, приложив электрическое поле перпендикулярно материалу, что делает двойной слой графена изолирующим.
Решетчатая и зонная структура двухслойного графена Бернала.
Фото: Nature Communications (2024 г.). DOI: 10.1038/s41467-024-47342-0
Это свойство быстро движущихся электронов было теоретически предсказано еще в 2009 году, но потребовалось значительно улучшить качество образцов, что позволило использовать мои материалы, предоставленные NIMS, и тесное сотрудничество в области теории с Массачусетским технологическим институтом, прежде чем стало возможным выявить это экспериментально. Хотя эти эксперименты проводились при криогенных температурах — около 273° ниже нуля — они показывают потенциал двухслойного графена для создания высокоэффективных транзисторов.
«Мы уже знали об этой теории. Однако теперь мы провели эксперименты, которые на самом деле показывают светоподобную дисперсию электронов в двухслойном графене. Это был очень волнующий момент для всей команды», — говорит профессор Томас Вайц из Геттингена. Физический факультет университета.
Доктор Анна Зайлер, научный сотрудник и первый автор также в Геттингенском университете, добавляет: «Наша работа — это во многом первый, но решающий шаг. Следующим шагом для исследователей будет увидеть, действительно ли двухслойный графен может улучшить транзисторы или исследовать потенциал этого эффекта в других областях технологий».
