Физики создали «пятиполосную магистраль» для электронов в графене

Физики из Массачусетского технологического института разработали ромбоэдрическую архитектуру графена, в которой электроны могут двигаться по пяти различным путям, что значительно улучшает проводимость материала. Главное преимущество этой разработки заключается в том, что она позволяет добиться такой проводимости в ромбоэдрическом графене, не требуя индукции магнитного поля.

Два года назад команда из Массачусетского технологического института разработала новый материал под названием «многослойный ромбоэдрический графен». Последний (особый вид графита, материал, из которого изготавливают стержни для карандашей) состоит из нескольких слоев графена. Эти же исследователи продолжают изучать материал и утверждают, что каждый новый эксперимент и анализ выявляет новые свойства и возможные применения.

В одном из предыдущих исследований они обнаружили, что ромбоэдрический графен обладает топологическими свойствами, которые позволяют электронам свободно перемещаться по краям материала, но не в центре. Такое поведение означает, что они могут очень эффективно перемещаться по определенным «дорожкам». Это и привело их к созданию «электронной магистрали».

Однако в предыдущем исследовании для ориентации и поддержания движения частиц необходимо было применить чрезвычайно мощное магнитное поле. В новом эксперименте, о котором подробно рассказывается в журнале Science, исследователям удалось воспроизвести поведение повышенной проводимости без применения магнитного поля. Это означает, что материал стал более жизнеспособным, так как его применение гораздо менее сложное, а затраты, соответственно, снижаются. По словам исследователей, его можно будет интегрировать в некоторые сверхэффективные электронные устройства, такие как датчики или портативные устройства, где энергоэффективность имеет большое значение.

Добавление дисульфида вольфрама

Ключ к этому прорыву, несомненно, лежит в добавлении дисульфида вольфрама (WS2), соединения с полупроводниковыми свойствами. Исследователи работали с пятислойным ромбоэдрическим графеном толщиной в несколько нанометров.

Взаимодействие между графеном и WS2 изменило способ движения электронов, обеспечив более эффективный и контролируемый поток. Подобная архитектура возможна и с другими материалами, но, по словам исследователей, будет сложно включить в нее более одного электронного канала. «Другие материалы могут поддерживать только одну полосу движения на краю материала, а мы внезапно увеличили это число до пяти с помощью этого типа графена«, — объясняет ведущий автор исследования в пресс-релизе Массачусетского технологического института.

Для проведения эксперимента исследователи использовали специализированный микроскоп, разработанный в Массачусетском технологическом институте для выделения и изучения ромбоэдрического графена. Это устройство помогает им быстро и недорого характеризовать свойства материалов на нанометрическом уровне.

Главная задача — улучшить условия, в которых проявляется эффект Холла

Явление, полученное в ромбоэдрическом графене, известно как аномальный квантовый эффект Холла, при котором электроны перемещаются по краям материала без сопротивления (то есть без потери энергии) и без внешнего магнитного поля. Чтобы добиться этого, температура должна быть очень низкой, около 2 Кельвинов (-271,5 °C), что едва превышает абсолютный ноль. Однако такое температурное состояние представляет собой серьезную проблему для исследователей. Для практического применения необходимо получить это явление в материалах при гораздо более высоких температурах.