Grafeen-kwantumstippen zijn veelbelovend als nieuwe magnetische veldsensoren

Gevangen elektronen die met extreme snelheden in cirkelvormige lussen in kwantumdots van grafeen reizen, zijn zeer gevoelig voor externe magnetische velden en kunnen volgens een nieuwe studie worden gebruikt als nieuwe magnetische veldsensoren met unieke mogelijkheden.

Elektronen in grafeen (een atomair dunne vorm van koolstof) gedragen zich alsof ze massaloos zijn, zoals fotonen, die massaloze lichtdeeltjes zijn. Hoewel grafeenelektronen niet met de snelheid van het licht bewegen, vertonen ze dezelfde energie-impulsrelatie als fotonen en kunnen ze worden omschreven als ‘ultrarelativistisch’. Wanneer deze elektronen zijn opgesloten in een kwantumstip, reizen ze met hoge snelheid in cirkelvormige lussen rond de rand van de stip.

“Deze stroomlussen creëren magnetische momenten die erg gevoelig zijn voor externe magnetische velden”, legt Jairo Velasco Jr., universitair hoofddocent natuurkunde aan UC Santa Cruz, uit. “De gevoeligheid van deze stroomlussen komt voort uit het feit dat grafeenelektronen ultrarelativistisch zijn en met hoge snelheid reizen.”

Velasco is een overeenkomstige auteur van een paper over de nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 6 maart in Natuur Nanotechnologie. Zijn groep aan UC Santa Cruz gebruikte een scanning tunneling microscope (STM) om de kwantumdots in grafeen te creëren en hun eigenschappen te bestuderen. Zijn medewerkers aan het project zijn onder meer wetenschappers van de Universiteit van Manchester, VK, en het National Institute for Materials Science in Japan.

“Dit was zeer collaboratief werk,” zei Velasco. “We hebben de metingen gedaan in mijn laboratorium bij UCSC, en daarna hebben we nauw samengewerkt met theoretisch natuurkundigen aan de Universiteit van Manchester om onze gegevens te begrijpen en te interpreteren.”

De unieke optische en elektrische eigenschappen van kwantumdots – die vaak zijn gemaakt van halfgeleider nanokristallen – zijn te danken aan het feit dat elektronen worden opgesloten in een structuur op nanoschaal, zodat hun gedrag wordt bepaald door kwantummechanica. Omdat de resulterende elektronische structuur lijkt op die van atomen, worden kwantumdots vaak “kunstmatige atomen” genoemd. De benadering van Velasco creëert kwantumdots in verschillende vormen van grafeen met behulp van een elektrostatische “corral” om de versnellende elektronen van grafeen te beperken.

“Een deel van wat dit interessant maakt, is de fundamentele fysica van dit systeem en de mogelijkheid om atoomfysica te bestuderen in het ultrarelativistische regime,” zei hij. “Tegelijkertijd zijn er interessante potentiële toepassingen hiervoor als een nieuw type kwantumsensor die magnetische velden op nanoschaal kan detecteren met een hoge ruimtelijke resolutie.”

Aanvullende toepassingen zijn ook mogelijk, volgens co-eerste auteur Zhehao Ge, een UCSC-afgestudeerde natuurkundestudent. “De bevindingen in ons werk geven ook aan dat kwantumdots van grafeen mogelijk een gigantische aanhoudende stroom (een eeuwigdurende elektrische stroom zonder de noodzaak van een externe stroombron) in een klein magnetisch veld kunnen herbergen, ” zei Ge. “Een dergelijke stroom kan mogelijk worden gebruikt voor kwantumsimulatie en kwantumberekening.”

De studie keek naar kwantumdots in zowel enkellaags grafeen als gedraaid dubbellaags grafeen. Het grafeen rust op een isolerende laag van hexagonaal boornitride, en een spanning die wordt aangelegd met de STM-tip creëert ladingen in het boornitride die dienen om elektronen in het grafeen elektrostatisch op te sluiten.

Hoewel het laboratorium van Velasco STM gebruikt om kwantumdots van grafeen te creëren en te bestuderen, zou een eenvoudiger systeem met metalen elektroden in een reeks dwarsbalken kunnen worden gebruikt in een magnetisch sensorapparaat. Omdat grafeen zeer flexibel is, zou de sensor kunnen worden geïntegreerd met flexibele substraten om magnetische velddetectie van gebogen objecten mogelijk te maken.

“Je zou veel kwantumdots in een array kunnen hebben, en dit zou kunnen worden gebruikt om magnetische velden in levende organismen te meten, of om te begrijpen hoe het magnetische veld wordt verdeeld in een materiaal of een apparaat, ” zei Velasco.