 Графен, лист толщиной в один атом углерода, в хорошем смысле возмущает мир физики. В частности, потому, что его электроны ведут себя как безмассовые частицы. Однако у этих электронов, кажется, есть раздвоение личности. Явление, наблюдаемое в области плазмоники позволяет предположить, что когда электроны в графене движутся вместе, они должны обладать массой.
После двух лет усилий, исследователи во главе с Хэмом Гордоном Маккеем, профессором электротехники и прикладной физики при Гарвардской школе инженерных и прикладных наук (SEAS), успешно измерили коллективную массу "безмассовых" электронов в графене.
Проливая свет на фундаментальные кинетические свойства электронов в графене, это исследование может также служить основой для создания миниатюрных схем с крошечными компонентами на основе графена.
"Графен является уникальным материалом, потому что, по сути, отдельные электроны графена взаимодействуют так, как будто они не имеют массы. Это означает, что отдельные электроны всегда движутся с постоянной скоростью,"- объясняет Хэм. "Но предположим, мы применяем силу, например, электрическое поле. Скорость отдельных электронов остается постоянной, но в совокупности, они ускоряются и их суммарная энергия увеличивается - то же и с суммарной массой. Это довольно интересно."
Согласно второму закону Ньютона, сила, приложенная к телу массы m, генерирует ускорение этого тела. Хэм знал, что если бы они могли воздействовать электрическим полем на образец графена и измерить ускорение электронов, они могли бы затем использовать эти данные для расчета коллективной массы.
Но образцы графена, используемые в более ранних экспериментах, изобиловали несовершенствами и примесями - содержали места, где атомы углерода отсутствуют или заменены чем-то другим. Ускорение происходило, но из-за примесей рассеяние было настолько быстрым, что ученые не могли пронаблюдать ускорение.
Для преодоления проблемы рассеяния было внесено несколько умных изменений.
Во-первых, команда уменьшила количество примесей и дефектов посредством вставки графена между слоями гексагонального нитрида бора, изоляционного материала с аналогичной атомной структурой. Во вторых, они разработали лучший способ для подключения электрических сигнальных линий к зажатому графену.
Коллективная масса является ключевым аспектом в объяснении плазмонных поведений в графене.
Эксперименты команды также показал, что в графене кинетическая индуктивность (электрическое проявление коллективной массы) на несколько порядков величины больше, чем магнитная индукция. Это важно при стремлении к все более компактным электронным схемам, потому что это означает, что тот же уровень индуктивности может быть достигнут на гораздо меньшей площади. |
