Anzeige
Published in this week’s issue of Nature,* the new research raises several intriguing questions about the fundamental physics of this exciting material and reveals new effects that may make graphene even more powerful than previously expected for practical applications.
Graphene is one of the simplest materials—a single-atom-thick sheet of carbon atoms arranged in a honeycomb-like lattice—yet it has many remarkable and surprisingly complex properties. Measuring and understanding how electrons carry current through the sheet is important to realizing its technological promise in wide-ranging applications, including high speed electronics and sensors. For example, the electrons in graphene act as if they have no mass and are almost 100 times more mobile than in silicon. Moreover, the speed with which electrons move through graphene is not related to their energy, unlike materials such as silicon where more voltage must be applied to increase their speed, which creates heat that is detrimental to most applications.
To fully understand the behavior of graphene’s electrons, scientists must study the material under an extreme environment of ultra-high vacuum, ultra-low temperatures, and large magnetic fields. Under these conditions, the graphene sheet remains pristine for weeks, and the energy levels and interactions between the electrons can be observed with precision (see "Graphene Yields Secrets to Its Extraordinary Properties," http://www.nist.gov/public_affairs/techbeat/tbx20090514_graphene.htm, NIST Tech Beat Extra, May 14, 2009).
NIST has recently constructed the world’s most powerful and stable scanning-probe microscope, with an unprecedented combination of low temperature (as low as 10 millikelvin, or 10 thousandths of a degree above absolute zero), ultra-high vacuum, and high magnetic field. In the first measurements made with this instrument, the international team has used its power to resolve the finest differences in the electron energies in graphene, atom-by-atom.
“Going to this resolution allows you to see new physics,” said Young Jae Song, a postdoctoral researcher who helped develop the instrument at NIST and make these first measurements.
And the new physics the team saw raises a few more questions about how the electrons behave in graphene than it answers.
Because of the geometry and electromagnetic properties of graphene’s structure, an electron in any given energy level populates four possible sublevels, called a “quartet.” Theorists have predicted that this quartet of levels would split into different energies when immersed in a magnetic field, but until recently there had not been an instrument sensitive enough to resolve these differences.
“When we increased the magnetic field at extreme low temperatures, we observed unexpectedly complex quantum behavior of the electrons,” said NIST Fellow Joseph Stroscio.
What is happening, according to Stroscio, appears to be a “many-body effect” in which electrons interact strongly with one another in ways that affect their energy levels.
One possible explanation for this behavior is that the electrons have formed a “condensate” in which they cease moving independently of one another and act as a single coordinated unit.
“If our hypothesis proves to be correct, it could point the way to the creation of smaller, very-low-heat producing, highly energy efficient electronic devices based upon graphene,” said Shaffique Adam, a postdoctoral researcher who assisted with theoretical analysis of the measurements.
The research team, led by Joseph Stroscio, includes collaborators from NIST, the University of Maryland, Seoul National University, the Georgia Institute of Technology, and the University of Texas at Austin.
The group’s work was also recently featured in Nature Physics,** in which they describe how the energy levels of graphene’s electrons vary with position as they move along the material’s crystal structure. The way in which the energy varies suggests that interactions between electrons in neighboring layers may play a role.
*Y. J. Song, A. F. Otte, Y. Kuk, Y. Hu, D. B. Torrance, P. N. First, W. A. de Heer, H. Min, S. Adam, M. D. Stiles, A. H. MacDonald, and J. A. Stroscio. High Resolution Tunnelling Spectroscopy of a Graphene Quartet, Nature, Sept. 9, 2010.
**D. L. Miller, K. D. Kubista, G. M. Rutter, Ming Ruan, W. A. de Heer, M. Kindermann, P. N. First, and J. A. Stroscio. Real-space mapping of magnetically quantized graphene states. Nature Physics. Published online Aug. 8, 2010. http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys1736.html
Mark Esser | Quelle: Newswise Science News
Weitere Informationen: www.nist.gov
Weitere Berichte zu: bird songs > carbon atom > energy levels > graphene > information technology > magnetic field > Nature Immunology > NIST > Quantum > ultra-high vacuum
Trennung von Blutzellen im Mikrofluss
24.05.2012 | Universität Augsburg
Nomads of the Galaxy
24.05.2012 | Kavli Foundation
Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.
Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.
„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...
Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.
Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.
Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...
Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.
Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.
Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...
Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen
Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...
Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.
Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.
Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...
Anzeige
Anzeige

Energieversorger vor dem Umbruch
24.05.2012 | Studien Analysen
Stem-cell-growing surface enables bone repair
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit
24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie
NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten
Wissenschaft und Öffentlichkeit
24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten