Persen van grafeen creëert de sterkste pseudo-magnetische velden die ooit in een laboratorium zijn ontstaan

Anonim

Persen van grafeen creëert de sterkste pseudo-magnetische velden die ooit in een laboratorium zijn ontstaan

materialen

Darren Quick

30 juli 2010

2 afbeeldingen

Scanning tunneling microscopie afbeelding van een grafeen nanobubble, waarbij het hexagonale tweedimensionale grafeenkristal wordt gezien vervormd en uitgerekt langs drie hoofdassen, waardoor pseudo-magnetische velden worden gecreëerd die veel sterker zijn dan enig magnetisch veld dat ooit in het laboratorium is geproduceerd

Grafeen, het materiaal met een dikte van één atoom dat bestaat uit een honingraatrooster van koolstofatomen, heeft weer een ander geproduceerd in een lange lijst van experimentele verrassingen. De opmerkelijke eigenschappen hebben onderzoekers al enthousiast gemaakt over toepassingen voor snellere computers, goedkopere en efficiëntere batterijen en massale gegevensopslag met een hogere dichtheid. Nu hebben onderzoekers melding gemaakt van de creatie van pseudo-magnetische velden die veel sterker zijn dan de sterkste magnetische velden die ooit in een laboratorium zijn ontstaan ​​- gewoon door de juiste soort soort op een stukje grafeen te plaatsen. De doorbraak kan verstrekkende wetenschappelijke toepassingen hebben.

"We hebben experimenteel aangetoond dat wanneer grafeen wordt uitgerekt om nanobellen op een platinasubstraat te vormen, elektronen zich gedragen alsof ze onderworpen zijn aan magnetische velden van meer dan 300 tesla, hoewel er geen magnetisch veld is toegepast", zegt Michael Crommie, een faculteitshoogleraar in de divisie Materials Sciences van het Amerikaanse Department of Energy, Lawrence Berkeley National Laboratory en een professor in fysica aan de University of California in Berkeley, die aan het hoofd stond van een multi-institutioneel team van onderzoekers die de ontdekking deden. "Dit is een volledig nieuw fysiek effect dat geen tegenhanger heeft in een ander systeem met gecondenseerde materie."

Crommie merkt op dat "al meer dan 100 jaar mensen materiaal in magnetische velden steken om te zien hoe de elektronen zich gedragen, maar het is onmogelijk om enorm sterke magnetische velden in een laboratoriumomgeving te ondersteunen." Het huidige record is 85 tesla voor een veld dat duurt slechts duizendsten van een seconde. Wanneer er sterkere velden worden gemaakt, blazen de magneten uit elkaar.

Het vermogen om elektronen te laten reageren alsof ze zich in magnetische velden van 300 tesla of meer bevinden - alleen al door grafeen uit te rekken - biedt een nieuw venster op een bron van belangrijke toepassingen en fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen die meer dan een eeuw oud zijn. Dit wordt mogelijk gemaakt door het elektronische gedrag van graphene, dat in tegenstelling tot ander materiaal is.

Een koolstofatoom heeft vier valentie-elektronen; in grafeen (en in grafiet, een stapel grafeenlagen), verbinden drie elektronen zich in een vlak met hun buren om een ​​sterk zeshoekig patroon te vormen, zoals kippengaas. Het vierde elektron steekt uit het vlak en is vrij om van het ene atoom naar het andere te springen. De laatste pi-gebonden elektronen werken alsof ze helemaal geen massa hebben, zoals fotonen. Ze kunnen bewegen met bijna één procent van de lichtsnelheid.

Gedrag voorspeld

Het idee dat een vervorming van grafeen zou kunnen leiden tot het verschijnen van een pseudo-magnetisch veld ontstond voor het eerst nog voordat grafeenvellen waren geïsoleerd, in de context van koolstofnanobuisjes (die eenvoudigweg opgerold grafeen zijn). Begin 2010 ontwikkelde theoreticus Francisco Guinea van het Institute of Materials Science van Madrid en zijn collega's deze ideeën en voorspelde dat als grafeen langs zijn drie belangrijkste kristallografische richtingen zou kunnen worden uitgerekt, het zou werken alsof het in een uniform magnetisch veld zou worden geplaatst . Dit komt omdat spanning de lengte van de bindingen tussen atomen verandert en invloed heeft op de manier waarop elektronen ertussen bewegen. Het pseudo-magnetische veld zou zich openbaren door zijn effecten op elektronenbanen.

Voorspelling bevestigd

De theorie werd bevestigd toen Crommie's onderzoeksgroep een scanning tunneling-microscoop had gebruikt om grafeenmonolagen te bestuderen die op een platinasubstraat waren gegroeid. Een scanning tunneling-microscoop werkt met behulp van een scherpe naaldsonde die langs het oppervlak van een materiaal scheert om minieme veranderingen in elektrische stroom te meten, waarbij de densiteit van elektronentoestanden op elk punt in de scan wordt onthuld terwijl een beeld van het oppervlak wordt opgebouwd.

"Het toonde nanobellen, kleine piramideachtige uitsteeksels, in een stukje grafeen op het platina-oppervlak, " zegt Crommie, "en geassocieerd met de grafeen nanobellen waren er duidelijke pieken in de dichtheid van elektronentoestanden."

Nauwkeurig onderzoek van de driehoekige bellen onthulde dat hun kippegaasrooster precies was uitgerekt langs de drie assen die nodig waren om de spanningsoriëntatie te induceren die Guinee en zijn collega's hadden voorspeld en die zouden leiden tot pseudo-magnetische velden. Hoe groter de kromming van de bellen, hoe groter de spanning en hoe groter de sterkte van het pseudo-magnetische veld. In sommige gevallen duidde de verhoogde dichtheid van elektronentoestanden die door scanning tunneling spectroscopie werd onthuld, op reusachtige pseudo-magnetische velden van 300 tesla of meer.

"Het verkrijgen van de juiste stam was het gevolg van een combinatie van factoren", zegt Crommie. "Om grafeen te laten groeien op het platina hadden we het platina blootgesteld aan ethyleen" - een eenvoudige verbinding van koolstof en waterstof - "en bij hoge temperatuur vormden de koolstofatomen een laag grafeen waarvan de oriëntatie werd bepaald door de roosterstructuur van het platina. ”

Om de hoogste resolutie van de scanning tunneling-microscoop te krijgen, werd het systeem vervolgens gekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt. Zowel het grafeen als het platina namen toe - maar het platina kromp meer, met als gevolg dat overtollig grafeen omhoog werd gedrukt in bellen, die vier tot tien nanometer (miljardsten van een meter) over en van een derde tot meer dan twee nanometer hoog meetten.

Implicaties

"Regelen waar elektronen leven en hoe ze bewegen is een essentieel kenmerk van alle elektronische apparaten", zegt Crommie. "Nieuwe soorten besturingselementen stellen ons in staat nieuwe apparaten te maken, en daarom biedt onze demonstratie van strain-engineering in grafeen een geheel nieuwe manier voor het mechanisch besturen van de elektronische structuur in grafeen. Het effect is zo sterk dat we het op kamertemperatuur kunnen doen. "

De mogelijkheden voor basiswetenschap met strain-engineering zijn ook enorm. In sterke pseudo-magnetische velden cirkelen bijvoorbeeld elektronen in nauwe cirkels die tegen elkaar botsen, mogelijk leidend tot nieuwe elektron-elektron interacties. Zegt Crommie, "dit is het soort natuurkunde dat natuurkundigen graag verkennen."

Een artikel dat de ontdekking beschrijft, "door spanning geïnduceerde pseudo-magnetische velden groter dan 300 tesla in grafeen nanobellen", verschijnt in het 30 juli nummer van Science.

Een stukje grafeen aan het oppervlak van een platinasubstraat vertoont vier driehoekige nanobellen aan de randen en één in het binnenste - pseudo-magnetische velden zijn het sterkst bij gebieden met de grootste kromming

Scanning tunneling microscopie afbeelding van een grafeen nanobubble, waarbij het hexagonale tweedimensionale grafeenkristal wordt gezien vervormd en uitgerekt langs drie hoofdassen, waardoor pseudo-magnetische velden worden gecreëerd die veel sterker zijn dan enig magnetisch veld dat ooit in het laboratorium is geproduceerd