Графен открывает свои экстраординарные свойства

При помощи новейшей измерительной техники исследователи из Технологического института в Джорджии и из NIST осуществили прямые измерения необычного энергетического спектра графена. Эта работа добавила новые детали, помогающие объяснить его свойства.

Экзотическое поведение графена обещает интригующие перспективы для будущих технологий, включая высокоскоростную электронику, которая может заменить сегодняшние кремниевые интегральные схемы, и другие устройства. Даже при комнатной температуре электроны в графене более чем в 100 раз подвижнее, чем в кремнии. В обычных материалах скорость электронов определяется их энергией, но это не так в графене. Хотя их скорость и не приближается к скорости света, несвязанные электроны в графене ведут себя во многом подобно безмассовым частицам, которые двигаются со скоростью, не зависящей от их энергии.

Загадочное безмассовое поведение связано и с другими странностями. Когда обычный проводник помещается в сильное магнитное поле, носители заряда, такие как электроны, начинают двигаться по круговым орбитам, которые ограничиваются дискретными равноотстоящими уровнями энергии. В графене же эти уровни, вследствие «безмассовости» электронов, разделены не равными энергетическими щелями.

Группа ученых проследила эти безмассовые электроны в действии, используя разработанный в NIST прибор, дающий увеличение в миллиард раз, что позволило отследить электронные состояния в сильных магнитных полях. Построенный по специальному проекту сверхнизкотемпературный и сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп позволил им развернуть регулируемое магнитное поле по ширине графеновых образцов, приготовленных в Технологическом институте, и наблюдать и отображать необычное неоднородное расположение дискретных энергетических уровней.

Команда разработала карту распределения энергетических уровней в графене с высоким разрешением. В противоположность металлам и другим проводящим материалам, где расстояния между энергетическими пиками равны, эти расстояния не были равными в графене.