20.10.2009 12:08
Menukast materjalist leiti veidralt käituvad osakesed
Viimasel
kümnendil on grafeen olnud materjaliteadlaste huviobjekt number üks. Õhus on
lootus, et ühel heal päeval asendab grafeen praegu protsessorites kasutatava
räni.
Grafeen on
maailma õhim materjal, seda on võimalik teha vaid ühe aatomkihi paksusena.
Lisaks on see ülitugev, ületades terase tugevuse 200 korda. Grafeenis on
laengukandjad äärmiselt liikuvad, see annab materjalile ilmselge eelise praegu
elektroonikatööstust valitseva räni ees. Grafeen kannatab kuue suurusjärgu
kõrgemaid voolutihedusi kui vask ning juhib lisaks väga hästi soojust.
Kuid nüüd
avastasid füüsikud, et grafeenil on veel üks kummaline omadus, mida varem oli
peetud võimalikuks ainult teoreetiliselt. Rutgersi ülikooli teadlastel õnnestus
eksperimentaalselt tõestada, et grafeenis hakkavad elektronid teatud
tingimustel käituma nagu kummaline vedelik. Nähtus on üsna sarnane
ülijuhtivusega, mis on võimalik teatud tüüpi metallides.
1879. aastal
avastati Halli efekt, mis piltlikult toimib nii: kui võtta metall-plaat ja
ühendada see vooluallikaga, siis liigub vool Menukast materjalist leiti
veidralt käituvad osakesedplaadi ühest otsast teise. Kui aga siis tuua plaadi
kohale tugev vertikaalne magnetväli, siis mõjutab see elektrone nii, et need
hakkavad magnetvälja mõjul kõrvale kalduma ning plaadis tekib ka ristsuunaline
pinge. See pinge ehk Halli pinge on proportsionaalne magnetvälja tugevusega.
Kui plaat on
pooljuht ning üliõhuke, siis on elektronide liikumine võimalik vaid teatud
kindlates kanalites, mis üksteise järel sulguvad, kui magnetväli tugevneb.
Halli pinge kerkib astmeliselt, vastavalt elektroni laengule. Kõik elektronid
käituvad siin iseseisvalt, solistina. Seda efekti nimetatakse Halli
kvantefektiks ning selle avastuse eest anti 1985. aastal välja Nobeli
füüsikapreemia.
Kuid madalatel
temperatuuridel hakkavad elektronid pooljuhikiles käituma nagu omapärane veider
vedelik. Elektronid asuvad tegutsema ühiselt ning tekivad veidrad osakesed,
mille laeng on elektroni laengust väiksem, näiteks kõigest kolmandik elektroni
laengust. Selle efekti, murdosalise kvant-Halli efekti eest anti füüsika-Nobel
1998. aastal.
Mitmed töörühmad
on püüdnud kindlaks teha, kas see efekt on võimalik ka grafeenis. Kuid grafeeni
elektronid on pigem massita osakesed, mis on pidevas liikumises nagu valgus.
Nii polnud ka kindlust, kas ilma massita elektronide vahel on võimalik nii
tugev koostoime, et sellist efekti täheldada.
Rutgersi ülikooli
töörühm Eva Andrei juhtimisel kirjutas ajakirjas Nature, et on leidnud
grafeenist veidrad osakesed, mille laeng on vaid kolmandik elektroni
elementaarlaengust. Võrreldes pooljuhtidel tehtud katsetega tuli efekt ilmsiks
palju kõrgematel temperatuuridel ja madalama tugevusega magnetväljas, see
viitab, et grafeeni elektronide vaheline koostöö on eriti tugev.
Manchesteri
ülikooli teadlane Kostya Novoselov ütles, et kui see efekt on avastatud, siis
on võimalik, et elektronid grafeenis võivad teha koostööd isegi veel
kummalisematel viisidel. Kui peaks õnnestuma luua kvasiosakesi laenguga 5/2,
siis oleks võimalik kokku panna kvantarvuti, mille tööpõhimõte seisneb osakeste
liikumiste ja koostöövormide suunamises.
Tartu Ülikoolis
grafeeniuuringuid juhtiv vanemteadur Harry Alles ütles, et teema on sedavõrd
tuline, et täpselt samal päeval ilmus ajakirjas Nature veel teinegi teade
Columbia ülikooli uurimisrühmalt, kes olid vaadelnud grafeenis sama efekti.
„Äsjasaadud
tulemused on väga olulised grafeeni ja üldisemalt kõikide süsinikstruktuuride
füüsikaliste omaduste kirjeldamisel, „ märkis Alles.
Tartus siiski
grafeenis Halli efekti ei uurita, selle asemel püütakse grafeeni puhul
rakendada aatomkihtsadestustehnoloogiat, et leida võimalusi üliväikeste
sensorite ehitamiseks.