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.