Графен, один атом толстый углеродный лист, покорил мир физики – частично, потому что ее электроны ведут себя как невесомые частицы. Все же у этих электронов, кажется, есть раздвоения личности.
Явления, наблюдаемые в области графена plasmonics, предлагают, чтобы, когда электроны перемещаются коллективно, они показали массу.После двух лет усилия исследователи во главе с Донхи Хэмом, профессором Гордона Маккея Электротехники и Прикладной Физики в Школе Гарварда Технических и прикладных наук (МОРЯ), и его студентом Хозэнгом Иуном, доктором философии ’14, успешно измерили коллективную массу электронов ‘massles в движении в графене.Проливая свет на фундаментальные кинетические свойства электронов в графене, это исследование может также обеспечить основание для создания миниатюризированных схем с крошечными, основанными на графене компонентами.Результаты Хэма и сложных измерений Иуна, выполненных в сотрудничестве с другими экспертами в Колумбийском университете и Национальном Институте Материаловедения в Японии, были изданы онлайн по своей природе Нанотехнологии.
«Графен – уникальный материал, потому что, эффективно, отдельные графеновые электроны действуют, как будто у них нет массы. То, что это означает, – то, что отдельные электроны всегда перемещаются в постоянную скорость», объясняет Хэм. «Но предположите, что мы применяем силу, как электрическое поле.
Скорость отдельных электронов все еще остается постоянной, но коллективно, они ускоряются и их увеличения полной энергии – точно так же, как предприятия с массой. Это довольно интересно».Без этой массы не может работать область графена plasmonics, таким образом, команда Хэма знала, что это должно было быть там – но до сих пор, никто точно не измерил его.
«Один из самых больших вкладов этой работы – то, что это – на самом деле чрезвычайно трудное измерение», говорит Хэм.Поскольку второй закон Ньютона диктует, сила относилась к массе, должен произвести ускорение. Иун и Хэм знали, что, если они могли бы применить электрическое поле к графеновому образцу и измерить получающееся коллективное ускорение электронов, они могли тогда использовать те данные, чтобы вычислить коллективную массу.Но графеновые образцы, используемые в прошлых экспериментах, были переполнены недостатками и примесями – места, где атом углерода отсутствовал или был заменен чем-то другим.
В тех прошлых экспериментах электроны ускорились бы, но очень быстро рассеялись бы, когда они столкнулись с примесями и недостатками.«Рассеивающееся время было так коротко в тех исследованиях, что Вы никогда не могли видеть ускорение непосредственно», говорит Хэм.
Чтобы преодолеть рассеивающуюся проблему, несколько умных изменений были необходимы.Во-первых, Хэм и Иун объединили усилия с Филипом Кимом, преподавателем физики в Колумбии, который присоединится к способности Гарварда 1 июля как профессор Физики и Прикладной Физики. Выпускник Гарварда (доктор философии ’99), Ким известен за свои новаторские фундаментальные исследования графена и свои экспертные знания в изготовлении высококачественных графеновых образцов.
Команда теперь смогла сократить количество примесей и недостатков, прослоив графен между слоями шестиугольного нитрида бора, изоляционного материала с подобным строением атома. Также сотрудничая с Джеймсом Хоном, преподавателем машиностроения в Колумбии, они проектировали лучший способ соединить линии электрического сигнала с зажатым графеном. И Иун и Хэм применили электрическое поле на микроволновой частоте, которая допускает прямое измерение коллективного ускорения электронов в форме задержки фазы тока.
«Делая все это, мы перевели ситуацию от абсолютно невозможного до того, чтобы быть в грани или наблюдения ускорения или не», говорит Хэм. «Однако трудность была все еще очень пугающей, и Hosang [Yoon] сделал все это возможным, выполнив очень прекрасную и тонкую микроволновую разработку и измерения – солидная часть экспериментирования».«Мне это был победный момент, который наконец оправдал длительное усилие, пройдя многократные испытания и ошибки», говорит Иун, ведущий автор статьи по своей природе Нанотехнологии. «До тех пор я не был даже уверен, будет ли эксперимент действительно возможен, таким образом, он был похож ‘через темноту, прибывает легкий’ момент».Коллективная масса – ключевой аспект объяснения плазмонных поведений в графене.
Демонстрируя, что графеновые электроны показывают коллективную массу и измеряя ее стоимость точно, Иун говорит, «Мы думаем, что она поможет людям понять и проектировать более современные плазмонные устройства с графеном».Эксперименты команды также показали, что в графене кинетическая индуктивность (электрическое проявление коллективной массы) является несколькими порядками величины, больше, чем другой, намного чаще всего эксплуатируемая собственность, названная магнитной индуктивностью. Это важно в толчке к электронной схеме меньшего размера и меньшего размера – главной теме современных интегральных схем – потому что это означает, что тот же самый уровень индуктивности может быть достигнут в намного меньшей области. Кроме того, Ham и Yoon заявляют, что эта миниатюрная основанная на графене кинетическая катушка индуктивности могла позволить создание твердотельной управляемой напряжением катушки индуктивности, дополнительной к широко используемому управляемому напряжением конденсатору.
Это могло использоваться, чтобы существенно увеличить настраивающий диапазон частоты электронных схем, который является важной функцией в приложениях коммуникации.На данный момент проблема остается улучшать качество графеновых образцов так, чтобы неблагоприятное воздействие электронного рассеивания могло быть далее уменьшено.Hosang Yoon – ведущий автор статьи по своей природе Нанотехнологии с соответствующими авторами Донхи Хэмом в МОРЯХ Гарварда и Филипом Кимом в Колумбии. Среди дополнительных соавторов преподаватель Колумбии Джеймс Хон, аспиранты Колумбии Карлос Форсайт и Лэй Ван; Николэос Томброс, бывший член лаборатории Кима в Колумбии, теперь в Университете Гронингена в Нидерландах; Кенджи Ватанабе, главные исследователи в оптикоэлектронных материалах в Национальном Институте Материаловедения (НИМ) в Японии; и Такаши Танигачи, лидер группы в Ультравысоком давлении Processes Group в НИМЕ.
Это исследование было поддержано Офисом Военно-воздушных сил Научного исследования (FA9550 13 1 0211), Офис Военно-морского Исследования (N000141310806, N000141310662), Национальный научный фонд (DMR-1231319, DMR-1124894, DGE-1069420), и Samsung Продвинутый Технологический институт и его Глобальная программа (A18960) Возможности Исследования. Дополнительная поддержка была оказана Нано Программой развития Технологии материалов через Национальный Исследовательский фонд Кореи, финансируемой Министерством Науки, ICT и будущего Планирования (2012M3A7B4049966); IGERT Columbia Optics and Quantum Electronics; и Организация Нидерландов по Научному исследованию.