Das superdünne 'Wundermaterial' Graphen hat die Wissenschaft seit Jahren mit seinen erstaunlichen Eigenschaften durcheinander gebracht, aber es wird wirklich interessant, wenn Sie dieses 2D-Nanomaterial gegen sich selbst stapeln.

In neuen Experimenten haben Physiker in den USA festgestellt, dass die Nähe, wenn Graphen in einem doppelschichtigen vertikalen Stapel zusammengesetzt wird – mit zwei benachbarten Schichten des Materials, die sich fast berühren -, Quantenzustände erzeugt, die zuvor nicht beobachtet wurden.

Diese neu gemessenen Zustände, die aus komplexen Wechselwirkungen von Elektronen zwischen den beiden Graphenschichten resultieren, sind Beispiele für den sogenannten fraktionalen Quanten-Hall-Effekt – und dies ist nur das jüngste Beispiel dafür, wie die Physik seltsam wird, wenn Materialien effektiv nur zwei Dimensionen einnehmen.

"Die Ergebnisse zeigen, dass das Stapeln von 2D-Materialien in enger Nachbarschaft zu einer völlig neuen Physik führt", sagt der Physiker Jia Li von der Brown University.

"In Bezug auf die Werkstofftechnik zeigt diese Arbeit, dass diese Schichtsysteme neue Arten von elektronischen Bauelementen hervorbringen können, die diese neuen Quanten-Hall-Zustände nutzen."

Die Wurzeln der neuen Entdeckung reichen etwa 140 Jahre zurück, als Wissenschaftler erstmals den sogenannten Hall-Effekt entdeckten: die Art und Weise, wie Spannung durch das Vorhandensein eines Magnetfelds abgelenkt werden kann.

Diese sogenannte Hall-Spannung verläuft durch den Hall-Effekt in Querrichtung, der verstärkt wird, wenn das angelegte Magnetfeld stärker wird.

Ungefähr ein Jahrhundert später beobachteten Physiker ein ähnliches Phänomen, den Quanten-Hall-Effekt, der in zweidimensionalen Elektronensystemen zu beobachten ist – einschließlich neuerer 2D-Nanomaterialien wie Graphen.

In der Quantenversion des Effekts wurde festgestellt, dass die Art und Weise, in der der Hall-Effekt durch stärkere Magnetfelder verstärkt wird, kein gleichmäßiger linearer Anstieg ist. Stattdessen wurde die Hall-Leitfähigkeit quantisiert – ähnlich wie beim Springen auf neue feste Plateaus eine Treppe.

Nachfolgende Experimente haben gezeigt, dass einige dieser Phänomene durch gebrochene Zahlen erklärt werden können – den oben erwähnten fraktionellen Quanten-Hall-Effekt (FQHE). Lis Team hat nun in seiner Studie neue Arten von FQHE beobachtet.

"Die unglaubliche Vielseitigkeit von Graphen hat es uns erneut ermöglicht, die Grenzen von Gerätestrukturen zu überschreiten, die bisher möglich waren", sagt der Physiker Cory Dean von der Columbia University.

"Die Präzision und Abstimmbarkeit, mit der wir diese Geräte herstellen können, ermöglicht es uns nun, ein ganzes Gebiet der Physik zu erkunden, das erst kürzlich als völlig unzugänglich galt."

In der neuen Arbeit wurden die beiden Graphenschichten durch eine dünne Schicht hexagonalen Bornitrids getrennt, die als isolierende Barriere eingesetzt wurde. Die Vorrichtung war auch von hexagonalem Bornitrid umgeben und mit Graphitelektroden verbunden.

Indem das Team diese Anordnung extrem starken Magnetfeldern aussetzte – millionenfach stärker als das Erdmagnetfeld -, beobachtete es nie zuvor gesehene FQHE-Zustände bei der Wechselwirkung von Elektronen zwischen den Graphenschichten.

Obwohl diese faszinierenden Zustände für die Wissenschaft neu sind, scheinen sie größtenteils mit unserem bestehenden Verständnis von Quasiteilchen, den so genannten zusammengesetzten Fermionen, übereinzustimmen – einem quantisierten Phänomen, das erstmals in der FQHE-Forschung entdeckt wurde.

Die neuen Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass diese zusammengesetzten Fermionen (CFs) möglicherweise mehr enthalten, als wir dachten.

"Abgesehen von den Interlayer-Composite-Fermionen haben wir andere Merkmale beobachtet, die im Composite-Fermion-Modell nicht erklärt werden können", sagt der Physiker Qianhui Shi von der Columbia University.

"Eine sorgfältigere Studie ergab, dass diese neuen Zustände zu unserer Überraschung aus der Paarung von zusammengesetzten Fermionen resultieren."

Es gibt zwar noch viel zu erforschen, bevor wir die vollständigen Auswirkungen verstehen, aber das Team sagt, dass sie "diese Zustände interpretieren, um aus verbleibenden Paarungswechselwirkungen zwischen CFs zu resultieren, die eine neue Art von korreliertem Grundzustand darstellen, der nur für Graphen-Doppelschichtstrukturen gilt und nicht durch das herkömmliche CF-Modell beschrieben. "

Mit anderen Worten, eine Graphenschicht ist gut, aber zwei sind nicht von dieser Welt.

Die Ergebnisse werden in berichtet Naturphysik.

.

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.