«Этот этап определяет новое современное состояние в науке конденсированного вещества и нанофальсификации», говорит Арон Пинкзук, преподаватель прикладной физики и физики в Разработке Колумбии и ведущем авторе исследования. «В то время как искусственный графен был продемонстрирован в других системах, таких как оптические, молекулярные, и фотонные решетки, эти платформы испытывают недостаток в многосторонности и потенциале, предлагаемом полупроводниковыми технологиями обработки. Полупроводник искусственные графеновые устройства мог быть платформами, чтобы исследовать новые типы электронных выключателей, транзисторов с превосходящими свойствами, и даже, возможно, новых способов хранить информацию на основе экзотического кванта механические государства».
Открытие графена в начале 2000-х произвело огромное волнение в сообществе физики не только потому, что это была первая реальная реализация истинного двумерного материала, но также и потому что уникальное атомное расположение атомов углерода в графене обеспечило платформу для тестирования новых квантовых явлений, которые трудно наблюдать в обычных системах материалов. С его необычными электронными свойствами? его электроны могут путешествовать на большие расстояния, прежде чем они будут рассеяны? графен – выдающийся проводник. Эти свойства также показывают другие уникальные особенности, которые заставляют электроны вести себя, как будто они – релятивистские частицы, которые перемещаются близко к скорости света, совещающейся на них экзотические свойства, которые не имеют «регулярные», нерелятивистские электроны.Но графен, натуральное вещество, прибывает только в одну атомную договоренность: положения атомов в графеновой решетке зафиксированы, и таким образом все эксперименты на графене должны приспособиться к тем ограничениям.
С другой стороны, в искусственном графене решетка может быть спроектирована по широкому спектру интервалов и конфигураций, делая его своего рода Святым Граалем для исследователей конденсированного вещества, потому что у этого будут более универсальные свойства, чем естественный материал.«Это – быстро расширяющаяся область исследования, и мы раскрываем новые явления, к которым нельзя было получить доступ прежде», говорит Шалом Ветер, преподаватель отдела прикладной физики и примененной математики и соавтора исследования. «Поскольку мы исследуем новые понятия устройства на основе электрического контроля искусственного графена, мы можем открыть потенциал, чтобы расширить границы в продвинутой оптоэлектронике и обработке данных».«Эта работа – действительно важный шаг вперед в искусственном графене. Начиная с первого теоретического предсказания, что система с подобными графену электронными свойствами может быть искусственно создана и настроена с шаблонным 2D электронным газом, никто не добился успеха, до работы Колумбии, в прямом наблюдении этих особенностей в спроектированных полупроводниковых наноструктурах», говорит Стивен Г. Луи, преподаватель физики, Калифорнийского университета, Беркли. «Предыдущая работа с молекулами, атомами и фотонными структурами представляет намного менее универсальные и стабильные системы.
Наноизготовленные полупроводниковые структуры открывают огромные возможности для исследования захватывающей новой науки и практического применения».Исследователи использовали инструменты обычной технологии изготовления микросхем, чтобы развивать искусственный графен в стандартном полупроводниковом материале, арсениде галлия. Они проектировали слоистую структуру так, чтобы электроны могли переместиться только в очень узком слое, эффективно создав 2D лист.
Они использовали субмикронную литографию и запечатлевающий, чтобы скопировать арсенид галлия: копирование создало шестиугольную решетку мест, в которых электроны были заключены в боковом направлении. Помещая эти места, которые могли считаться «искусственными атомами», достаточно друг близко к другу (~ на расстоянии в 50 миллимикронов), эти искусственные атомы могли взаимодействовать квант механически, подобный способу, которым атомы разделяют свои электроны в твердых частицах.Команда исследовала электронные состояния искусственных решеток, пролив лазерный свет на них и измерив свет, который был рассеян. Рассеянный свет показал потерю энергии, которая соответствовала переходам в электронной энергии от одного государства до другого.
Когда они нанесли на карту эти переходы, команда нашла, что они приближались к нолю линейным способом вокруг того, что называют «пунктом Дирака», где электронная плотность исчезает, признак графена.У этого искусственного графена есть несколько преимуществ перед натуральным графеном: например, исследователи могут проектировать изменения в сотовидную решетку, чтобы смодулировать электронное поведение. И потому что интервал между квантовыми точками намного больше, чем межатомный интервал в натуральном графене, исследователи могут наблюдать еще более экзотические квантовые явления с применением магнитного поля.
Открытие новых низко-размерных материалов, таких как графен и другие ультратонкие, слоистые фильмы Ван-дер-Ваальса, которые показывают захватывающие новые физические явления, которые были ранее недоступны, заложило основу для этого исследования. «Что было действительно очень важно для нашей работы, были впечатляющие продвижения в нанофальсификации», отмечает Пинкзук. «Они предлагают нам постоянно увеличивающийся комплект инструментов для создания несметного числа высококачественных образцов в наноразмерных размерах. Это – захватывающее время, чтобы быть физиком, работающим в нашей области».