Nieuw kwantumeffect ontdekt in natuurlijk voorkomend grafeen

Gewoonlijk hangt de elektrische weerstand van een materiaal sterk af van de fysieke afmetingen en fundamentele eigenschappen. Onder speciale omstandigheden kan deze weerstand echter een vaste waarde aannemen die onafhankelijk is van de basismateriaaleigenschappen en wordt “gekwantiseerd” (wat betekent dat deze in discrete stappen verandert in plaats van continu). Deze kwantisering van elektrische weerstand vindt normaal gesproken plaats binnen sterke magnetische velden en bij zeer lage temperaturen wanneer elektronen op een tweedimensionale manier bewegen. Nu is een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Göttingen erin geslaagd dit effect aan te tonen bij lage temperaturen in de bijna volledige afwezigheid van een magnetisch veld in natuurlijk voorkomend dubbellaags grafeen, dat slechts twee atomen dik is. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuur.

Het team van de Universiteit van Göttingen, de Ludwig Maximilian Universiteit van München en de Universiteit van Texas (Dallas) gebruikte tweelaags grafeen in zijn natuurlijke vorm. De delicate grafeenvlokken worden in contact gebracht met behulp van standaard microfabricagetechnieken en de vlok wordt zo gepositioneerd dat deze vrij hangt als een brug, aan de randen vastgehouden door twee metalen contacten. De extreem schone dubbele lagen grafeen laten een kwantisering van elektrische weerstand zien bij lage temperaturen en bijna niet-detecteerbare magnetische velden. Bovendien vloeit de elektrische stroom zonder energieverlies. De reden hiervoor is een vorm van magnetisme die niet op de gebruikelijke manier wordt gegenereerd zoals bij conventionele magneten (dwz door de uitlijning van de intrinsieke magnetische momenten van elektronen), maar door de beweging van de geladen deeltjes in de grafeen dubbellaag zelf .

“Met andere woorden, de deeltjes genereren hun eigen intrinsieke magnetische veld, wat leidt tot de kwantisering van de elektrische weerstand”, zegt professor Thomas Weitz van de Universiteit van Göttingen.

De reden dat dit effect speciaal is, is niet alleen dat er alleen een elektrisch veld voor nodig is, maar ook dat het in acht verschillende versies voorkomt die kunnen worden gecontroleerd door aangelegde magnetische en elektrische velden. Dit resulteert in een hoge mate van controle, omdat het effect kan worden in- en uitgeschakeld en de bewegingsrichting van de geladen deeltjes kan worden omgekeerd.

“Dit maakt het een heel interessante kandidaat voor mogelijke toepassingen, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van innovatieve computercomponenten op het gebied van spintronica, die implicaties kunnen hebben voor dataopslag”, zegt Weitz. “Bovendien is het een voordeel dat we dit effect kunnen aantonen in een systeem dat bestaat uit een eenvoudig en natuurlijk materiaal. Dit staat in schril contrast met de recent gepopulariseerde ‘heterostructuren’, die een complexe en nauwkeurige samenstelling van verschillende materialen vereisen.

“Eerst moet het effect echter verder worden onderzocht en er moeten manieren worden gevonden om het bij hogere temperaturen te stabiliseren, omdat het momenteel alleen optreedt bij maximaal vijf graden boven het absolute nulpunt (de laatste is 273 graden onder 0^OC).”