Графен, углеродный лист толщиной в один атом, покорил мир физики — отчасти потому, что его электроны ведут себя как безмассовые частицы. Тем не менее, у этих электронов, похоже, двойственная личность. Явления, наблюдаемые в области плазмоники графена, предполагают, что, когда электроны движутся коллективно, они должны обладать массой.
После двух лет усилий исследователи под руководством Донхи Хэма, профессора электротехники и прикладной физики Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) Гордона Маккея и его ученика Хосанг Юна, доктора философии’14, успешно измерили коллективная масса «безмассовых» электронов, движущихся в графене.Это исследование, пролившее свет на фундаментальные кинетические свойства электронов в графене, может также стать основой для создания миниатюрных схем с крошечными компонентами на основе графена.Результаты комплексных измерений Хэма и Юна, выполненных в сотрудничестве с другими экспертами из Колумбийского университета и Национального института материаловедения в Японии, были опубликованы в Интернете в журнале Nature Nanotechnology.
«Графен — уникальный материал, потому что, по сути, отдельные электроны графена действуют так, как будто у них нет массы. Это означает, что отдельные электроны всегда движутся с постоянной скоростью», — объясняет Хэм. «Но предположим, что мы применяем силу, подобную электрическому полю. Скорость отдельных электронов по-прежнему остается постоянной, но вместе они ускоряются и их общая энергия увеличивается — точно так же, как сущности с массой. Это довольно интересно».
Без этой массы поле плазмоники графена не может работать, поэтому команда Хэма знала, что оно должно быть там, но до сих пор никто не измерил его точно.«Один из величайших вкладов этой работы в том, что это на самом деле чрезвычайно сложное измерение», — говорит Хэм.
Согласно второму закону Ньютона сила, приложенная к массе, должна вызывать ускорение. Юн и Хэм знали, что если бы они могли приложить электрическое поле к образцу графена и измерить результирующее коллективное ускорение электронов, они могли бы затем использовать эти данные для вычисления коллективной массы.
Но образцы графена, использованные в прошлых экспериментах, были полны недостатков и примесей — мест, где атом углерода отсутствовал или был заменен чем-то другим. В прошлых экспериментах электроны ускорялись, но очень быстро рассеивались при столкновении с примесями и дефектами.
«Время рассеяния в этих исследованиях было настолько коротким, что вы никогда не смогли увидеть ускорение напрямую», — говорит Хэм.Чтобы преодолеть проблему рассеяния, потребовалось несколько умных изменений.Во-первых, Хэм и Юн объединили свои усилия с Филипом Кимом, профессором физики Колумбийского университета, который 1 июля поступит на Гарвардский факультет в качестве профессора физики и прикладной физики.
Выпускник Гарварда (доктор философии ’99), Ким хорошо известен своими новаторскими фундаментальными исследованиями графена и опытом изготовления высококачественных образцов графена. Теперь команда смогла уменьшить количество примесей и дефектов, разместив графен между слоями гексагонального нитрида бора, изоляционного материала с аналогичной атомной структурой.
Кроме того, сотрудничая с Джеймсом Хоуном, профессором машиностроения в Колумбии, они разработали лучший способ подключения электрических сигнальных линий к зажатому графену. А Юн и Хэм применили электрическое поле с частотой микроволн, что позволяет напрямую измерять коллективное ускорение электронов в виде фазовой задержки тока.«Сделав все это, мы перевели ситуацию с совершенно невозможной на то, чтобы либо увидеть ускорение, либо нет», — говорит Хэм. «Однако трудность по-прежнему была очень серьезной, и Хосанг [Юн] сделал все это возможным, выполнив очень тонкую и тонкую микроволновую инженерию и измерения — грандиозный эксперимент».«Для меня это был победный момент, который, наконец, оправдал долгие усилия, прошедшие через множество проб и ошибок», — говорит Юн, ведущий автор статьи в Nature Nanotechnology. «До этого я даже не был уверен, что эксперимент действительно возможен, так что это было похоже на момент« сквозь тьму приходит свет »».
Коллективная масса — ключевой аспект объяснения плазмонного поведения в графене. Демонстрируя, что электроны графена обладают коллективной массой, и точно измеряя ее значение, Юн говорит: «Мы думаем, что это поможет людям понять и разработать более сложные плазмонные устройства с графеном».Эксперименты команды также показали, что в графене кинетическая индуктивность (электрическое проявление коллективной массы) на несколько порядков больше, чем другое, гораздо более широко используемое свойство, называемое магнитной индуктивностью. Это важно в стремлении к уменьшению и уменьшению размеров электронных схем — основной теме современных интегральных схем — потому что это означает, что такой же уровень индуктивности может быть достигнут на гораздо меньшей площади.
Кроме того, Хэм и Юн говорят, что этот миниатюрный кинетический индуктор на основе графена может позволить создать твердотельный индуктор с регулируемым напряжением, дополняющий широко используемый конденсатор с регулируемым напряжением. Его можно использовать для значительного увеличения диапазона настройки частоты электронных схем, что является важной функцией в приложениях связи.На данный момент остается задача улучшить качество образцов графена, чтобы еще больше уменьшить вредные эффекты рассеяния электронов.
Хосанг Юн является ведущим автором статьи в журнале «Nature Nanotechnology» вместе с соответствующими авторами Донхи Хэмом из Гарвардского университета SEAS и Филипом Кимом из Колумбии. Среди дополнительных соавторов профессор Колумбийского университета Джеймс Хоун, аспиранты Колумбийского университета Карлос Форсайт и Лей Ван; Николаос Томброс, бывший сотрудник лаборатории Кима в Колумбии, сейчас работает в Университете Гронингена в Нидерландах; Кенджи Ватанабэ, главные исследователи оптоэлектронных материалов в Национальном институте материаловедения (NIMS) в Японии; и Такаши Танигучи, руководитель группы процессов сверхвысокого давления в NIMS.
Это исследование было поддержано Управлением научных исследований ВВС (FA9550-13-1-0211), Управлением военно-морских исследований (N000141310806, N000141310662), Национальным научным фондом (DMR-1231319, DMR-1124894, DGE-1069420). , а также передовым технологическим институтом Samsung и его программой Global Research Opportunity (A18960). Дополнительная поддержка была предоставлена Программой развития наноматериалов через Национальный исследовательский фонд Кореи, финансируемый Министерством науки, ИКТ и планирования будущего (2012M3A7B4049966); Columbia Optics and Quantum Electronics IGERT; и Нидерландская организация научных исследований.