Wetenschappers ontdekken een nieuwe familie van quasi-deeltjes in materialen op basis van grafeen

Een groep onderzoekers onder leiding van Sir Andre Geim en Dr. Alexey Berdyugin van de Universiteit van Manchester heeft een nieuwe familie van quasideeltjes ontdekt en gekarakteriseerd met de naam ‘Brown-Zak-fermionen’ in op grafeen gebaseerde superroosters.

Het team bereikte deze doorbraak door het atoomrooster van een grafeenlaag uit te lijnen met dat van een isolerende plaat van boornitride, waardoor de eigenschappen van de plaat grafeen drastisch veranderden.

De studie volgt jaren van opeenvolgende vorderingen in grafeen-boornitride-superroosters die de waarneming mogelijk maakten van een fractaal patroon dat bekend staat als de Hofstadter-vlinder – en vandaag (vrijdag 13 november) rapporteren de onderzoekers een ander zeer verrassend gedrag van deeltjes in dergelijke structuren onder aangebrachte magnetische veld.

“Het is algemeen bekend dat elektronen in een magnetisch veld nul in rechte banen bewegen en als je een magnetisch veld toepast, ze beginnen te buigen en in cirkels te bewegen”, leggen Julien Barrier en Dr. Piranavan Kumaravadivel uit, die het experimentele werk uitvoerden.

“In een grafeenlaag die is uitgelijnd met het boornitride, beginnen elektronen ook te buigen – maar als je het magnetisch veld op specifieke waarden instelt, bewegen de elektronen weer in rechte banen, alsof er geen magnetisch veld meer is!”

“Dergelijk gedrag is radicaal anders dan natuurkunde uit schoolboeken.” voegt Dr. Piranavan Kumaravadivel toe.

“We schrijven dit fascinerende gedrag toe aan de vorming van nieuwe quasi-deeltjes bij een hoog magnetisch veld”, zegt Dr. Alexey Berdyugin. “Die quasideeltjes hebben hun eigen unieke eigenschappen en uitzonderlijk hoge mobiliteit ondanks het extreem hoge magnetische veld.”

Zoals gepubliceerd in Nature Communicationsbeschrijft het werk hoe elektronen zich gedragen in een ultra-hoogwaardig superrooster van grafeen met een herzien raamwerk voor de fractale kenmerken van de Hofstadter-vlinder. Fundamentele verbeteringen in de fabricage van grafeenapparaten en meettechnieken in het afgelopen decennium hebben dit werk mogelijk gemaakt.

“Het concept van quasi-deeltjes is misschien wel een van de belangrijkste in de fysica van de gecondenseerde materie en kwantum-veel-lichaamssystemen. Het werd in de jaren veertig geïntroduceerd door de theoretisch fysicus Lev Landau om collectieve effecten af ​​te schilderen als een ‘excitatie van één deeltje’,” legt Julien uit. Barrière “Ze worden in een aantal complexe systemen gebruikt om de effecten op veel lichamen te verklaren.”

Tot nu toe werd het gedrag van collectieve elektronen in grafeen-superroosters gedacht in termen van het Dirac-fermion, een quasi-deeltje met unieke eigenschappen die lijken op fotonen (deeltjes zonder massa), die repliceren bij hoge magnetische velden. Dit verklaarde echter geen verklaring voor enkele experimentele kenmerken, zoals de bijkomende degeneratie van de staten, noch kwam het overeen met de eindige massa van het quasi-deeltje in deze toestand.

De auteurs stellen voor dat ‘Brown-Zak-fermionen’ de familie zijn van quasi-deeltjes die bestaan ​​in superroosters onder een hoog magnetisch veld. Dit kenmerkt zich door een nieuw kwantumgetal dat direct meetbaar is. Interessant is dat het werken bij lagere temperaturen hen in staat stelde de degeneratie op te heffen met uitwisselingsinteracties bij ultralage temperaturen.

“Onder de aanwezigheid van een magnetisch veld beginnen elektronen in grafeen te roteren met gekwantiseerde banen. Voor Brown-Zak-fermionen zijn we erin geslaagd een recht traject van tientallen micrometers te herstellen onder hoge magnetische velden tot 16T (500.000 keer het aardmagnetische veld). Onder specifieke omstandigheden voelen de ballistische quasideeltjes geen effectief magnetisch veld ”, leggen Dr. Kumaravadivel en Dr. Berdyugin uit.

In een elektronisch systeem wordt de mobiliteit gedefinieerd als het vermogen van een deeltje om te reizen bij het aanleggen van een elektrische stroom. Hoge mobiliteiten zijn lange tijd de heilige graal geweest bij het fabriceren van 2D-systemen zoals grafeen, omdat dergelijke materialen aanvullende eigenschappen zouden hebben (integer en fractionele quantum hall-effecten) en mogelijk de creatie mogelijk maken van ultrahoge frequentie transistors, de componenten in het hart van een computerprocessor.

“Voor deze studie hebben we grafeenapparaten voorbereid die extra groot zijn met een zeer hoge zuiverheid”. zegt dr. Kumaravadivel. Dit stelde ons in staat om mobiliteiten van enkele miljoenen cm² / Vs te bereiken, wat betekent dat deeltjes dwars door het hele apparaat zouden reizen zonder te verstrooien. Belangrijk is dat dit niet alleen het geval was voor klassieke Dirac-fermionen in grafeen, maar ook werd gerealiseerd voor de Brown-Zak-fermionen die in het werk worden vermeld.

Deze Brown-Zak-fermionen definiëren nieuwe metallische toestanden, die generiek zijn voor elk superroostersysteem, niet alleen voor grafeen, en bieden een speeltuin voor nieuwe fysische problemen met gecondenseerde materie in andere op 2D-materiaal gebaseerde superroosters.

Julien Barrier voegde toe: “De bevindingen zijn belangrijk, natuurlijk voor fundamentele studies in elektronentransport, maar we geloven dat het begrijpen van quasideeltjes in nieuwe superrooster-apparaten onder hoge magnetische velden kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten.”

De hoge mobiliteit betekent dat een transistor gemaakt van zo’n apparaat op hogere frequenties zou kunnen werken, waardoor een processor van dit materiaal meer berekeningen per tijdseenheid kan uitvoeren, wat resulteert in een snellere computer. Het aanleggen van een magnetisch veld zou de mobiliteit meestal verkleinen en een dergelijk apparaat onbruikbaar maken voor bepaalde toepassingen. De hoge mobiliteit van Brown-Zak-fermionen bij hoge magnetische velden openen een nieuw perspectief voor elektronische apparaten die onder extreme omstandigheden werken.