Niezwykła właściwość dwuwarstwowego grafenu

Na University of California Riverside dokonano odkrycia pewnej właściwości dwuwarstwowego grafenu (BLG), które uczeni przyrównują do odkrycia bozonu Higgsa. Dwuwarstwowy grafen, podobnie jak grafen jednowarstwowy, charakteryzuje się bardzo dobrym przewodnictwem, elektrony w nim poruszają się bardzo szybko. Jednak fizycy z Kalifornii zauważyli, że gdy liczba elektronów w takim grafenie jest bliska zeru, materiał staje się izolatorem. BLG zmienia się w izolator, gdyż dochodzi do spontanicznej organizacji elektronów. Zamiast swobodnie wędrować, zaczynają poruszać się w zorganizowany sposób. Zjawisko to jest znane jako spontaniczne złamanie symetrii i ma ono olbrzymie znaczenie, gdyż u jego podstaw leżą właściwości, które powodują, że cząstki mają masę - mówi profesor Chun Ning Lau.

Profesor Allan MacDonald, współautor badań, dodaje, że udało się zmierzyć masę cząstek kwantowych nowego typu, które występują tylko w kryształach BLG. Zasady fizyczne, które nadały tym cząstkom masę są bardzo bliskie zasadom, które powodują, że masa protonu w jądrze atomu jest znacznie większa niż masa kwarków, z których jest on zbudowany. Cząstka znaleziona przez nasz zespół jest zbudowana z elektronów, nie z kwarków. Warto tutaj dodać, że zespół z University of California nie działał na ślepo. Istniały teoretyczne podstawy do przypuszczeń, że w morzu elektronów w dwuwarstwowym grafenie może pojawić się nowa cząstka.

Praktyczną implikacją badań jest stwierdzenie, że przerwa energetyczna w BLG zwiększa się wraz z rosnącym natężeniem pola magnetycznego. Przerwa energetyczna (pasmo wzbronione) w ciałach stałych to taki zakres energii, w którym elektrony są silnie rozpraszane, w wyniku czego nie występują elektrony o takim właśnie zakresie energii. Jej obecność decyduje o właściwościach materiału. W metalach ona nie występuje, w półprzewodnikach jest mała, w izolatorach duża. Istnienie przerwy energetycznej w krzemie pozwala na wykorzystanie go w elektronice, gdyż umożliwia przełączanie krzemu pomiędzy stanem, w którym przepływ elektronów jest możliwy, a takim, w którym jest niemożliwy.

W jednowarstwowym grafenie przerwa energetyczna w naturalny sposób nie występuje, przez co zbudowane zeń urządzenie nie może być wyłączone. Z punktu widzenia zastosowań w elektronice to kolosalna wada. BLG może być za to wyłączone. Jesteśmy dopiero na początku naszych badań i na razie przerwa jest zbyt wąska, by dwuwarstwowy grafen można było zastosować w praktyce. Jednak badania dają nam olbrzymią nadzieję i wskazują na możliwe rozwiązania - grafen trójwarstwowy i czterowarstwowy, które prawdopodobnie będą miały znacznie szersze pasmo wzbronione, umożliwiające wykorzystanie ich w technologiach cyfrowych. Już zaczęliśmy badać takie materiały - mówi Lau.