Grafen to materiał, który od pewnego czasu pobudza armie naukowców do poszukiwania jego nowych właściwości i potencjalnych zastosowań. Badacze z MIT nieoczekiwanie znaleźli nowe możliwości płaskiej, dwuwymiarowej siatki zbudowanej z atomów węgla. Stwierdzili, że w skrajnie niskiej temperaturze i ekstremalnie silnym polu magnetycznym grafen może filtrować elektrony, w zależności od kierunku ich spinu. Podobnego efektu nie można uzyskać za pomocą konwencjonalnych układów elektronicznych. Egzotyczne własności mogą w przyszłości umożliwić wykorzystanie grafenu m.in. do budowy komputerów kwantowych.
W pokojowych warunkach grafenowy arkusz zachowuje się jak zwykły przewodnik. Przyłożenie napięcia do materiału powoduje przepływ prądu przez dwuwymiarowy płat. Po ustawieniu arkusza w polu magnetycznym prostopadle do linii pola magnetycznego zmienia się jego zachowanie jako przewodnika. Ładunki przemieszczają się wówczas tylko wzdłuż krawędzi, a reszta materiału staje się izolatorem. Ponadto, prąd płynie tylko w jednym kierunku – w prawo lub w lewo zależności od ukierunkowania pola magnetycznego. Zjawisko to znane jest jako kwantowy efekt Halla.
W swoich badaniach naukowcy z Massachusetts Institute of Technology ujawnili, że przykładając drugie, znacznie potężniejsze pole magnetyczne, tym razem w płaszczyźnie płata grafenu (równoległe do materiału) spowodowali kolejną zmianę jego zachowania. Elektrony mogły poruszać się wzdłuż krawędzi, w obie strony. Elektrony z jednym typem spinu przemieszczały się w tylko prawo, natomiast te z przeciwnym spinem przesuwały się wyłącznie w lewo. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 22 grudnia 2013 roku w internetowym wydaniu czasopisma Nature.
Nietypowy rodzaj przewodnika inżynierowie określają mianem “virtually a one-dimensional wire”, co można przetłumaczyć jako prawie jednowymiarowy drut. Podkreślają, że spinowa segregacja elektronów to zjawisko typowe dla dwuwymiarowych izolatorów topologicznych. Jednak w pewnych zadanych warunkach, inny typ materiału jakim jest grafen, uzyskał podobne własności. Co więcej, manipulując natężeniem oraz kątem nachylenia pola magnetycznego w stosunku do płaszczyzny grafenu można włączać i wyłączać “stany brzegowe”. Jak sugerują naukowcy, sterowanie polaryzacją i zmiana stanów dają możliwości produkcji układów scalonych i tranzystorów, które nie zostały zrealizowane wcześniej w przypadku w tradycyjnych izolatorów topologicznych. Selektywność spinowa zapewnia jeszcze inne korzyści. Zapobiega rozpraszaniu wstecznemu elektronów, które mogłoby zakłócać ich ruch. W rezultacie niedoskonałości materiału, które zwykle pogarszają właściwości elektryczne, mają tutaj zaniżony wpływ.
Badacze są zdania, że ich praca może stanowić nowy kierunek rozwoju i eksperymentów prowadzących do powstania prawdziwego komputera kwantowego. Ekstremalne warunki pracy pożądane dla potencjalnego, wyspecjalizowanego urządzenia z pewnością nie ułatwią produkcji i powszechnego dostępu. Przeprowadzone badania wymagały pola magnetycznego o natężeniu 35 tesli oraz temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu (około −272,85°C = 0,3K). Obecnie zespół pracuje nad uzyskaniem podobnego efektu w polu magnetycznym o dużo mniejszym natężeniu (1T) oraz w wyższych temperaturach. Oprócz tego inżynierowie chcą wykorzystać m.in. złoto, które jest wyjątkowo dobrym przewodnikiem elektrycznym do pokrycia krawędzi płata grafenu. Dodatek złota miałby wpłynąć na zwiększenie oporności elektrycznej poprzez zamierzone utworzenie mechanizmu wstecznego rozproszenia elektronów, w kierunku przeciwnym do podróżujących ładunków.
Źródło:
[1] Tunable symmetry breaking and helical edge transport in a graphene quantum spin Hall state. A. F. Young, J. D. Sanchez-Yamagishi, B. Hunt, S. H. Choi, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. C. Ashoori & P. Jarillo-Herrero. Nature (2013), doi:10.1038/nature12800
[2] http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature12800.html#extended-data [27.12.2013]
[3] http://web.mit.edu/newsoffice/2013/graphene-can-host-exotic-new-quantum-electronic-states-at-its-edges-1222.html [27.12.2013]
[4] Quantum Hydrogen on Graphene by UCL Mathematical and Physical Sciences, flickr.com, CC BY-SA 2.0