Úttörő grafénkutatásban vettek részt magyar kutatók

Két magyar kutató is részt vett abban a kutatásban, amely először mutatta meg, hogy lehetséges elektronokat grafénban előre definiált pálya mentén mozgatni. Ez a mozgás teljesen veszteségmentes, és sok későbbi elektronikai eszköz alapját képezheti. A kutatásban részt vettek a BME Fizika Tanszékének és az MTA-BME Kondenzált Anyagok Fizikája Kutatócsoportjának munkatársai, Makk Péter és Tóvári Endre is – olvasható a tanszék közleményében.

A grafént 2004-ben fedezte fel André Geim és Kosztya Novoselov, amiért 2010-ben Nobel-díjat is kaptak. A modern szilárdtest-fizika egyik legintenzívebben vizsgált anyaga. Bár a grafit egyetlen atom vastagságú rétege alkotja, mégis hatalmas szakítószilárdságú, szinte teljesen átlátszó és kiváló az elektromos vezetőképessége. Előnyös tulajdonságai miatt számtalan csoport végez grafénkutatásokat, amelyek egyik célja új elektronikai és spintronikai eszközök létrehozása. (Utóbbiak az elektron spinjét, azaz mágneses momentumát használják információként.)

A két magyar a Bázeli Egyetem kutatóival olyan grafén nano-szerkezeteket készített, amelyben az elektronokat külső terek segítségével előre definiált pályán ballisztikusan lehet mozgatni. Ez azt jelenti, hogy az elektronok szóródás nélkül haladnak a minta méretskáláján (néhány mikrométeren, ami nagyjából egy hajszál átmérőjének századrésze), például külső mágneses tér hiányában két pont között egy egyenes mentén mozognak. Ez nem annyira gyakori tulajdonság, mint gondolnánk, ugyanis a legtöbb vezető anyagban – fémekben, félvezető szilíciumban – az elektronok tipikusan csak 1-10 nanométeres utat tesznek meg egyenes vonalban, olyan gyakran változtatnak irányt kristályrács-hibákon vagy idegen atomokon.

A kutatók által kialakított szerkezetben kapuelektródákkal és a mágneses tér hangolásával lehet az elektronokat irányítani. Az elektromos és mágneses terek kombinációjaként létrejövő hullámzó pályát kígyóállapotnak hívják. A kígyóállapotokba becsapdázott elektronok a kígyózó pálya mentén irányíthatók, hasonlóan a fényhez egy optikai szálban. Ezt az állapotot más anyagban még nem sikerült megfigyelni.

Ezt a szerkezetet veszteségmentes nanokapcsolóként lehet használni: a külső mágneses tér hangolásával az elektronok a jobb vagy bal elektródákhoz irányíthatók. Egy ilyen nanokapcsolót sok későbbi elektronikai eszközbe be lehet építeni, és egyszerűen, mágneses és elektromos terekkel lehet működtetni.

A Christian Schönenberger által irányított kutatás eredményeit a rangos Nature Communications folyóirat közölte.