بررسی اهمیت برهمکنش الکترون- الکترون در گرافن

محققان آمریکایی به بررسی رفتارهای الکترونیکی گرافن پرداختند. هدف آنها بررسی پاسخ حاملین بار در جاهایی که ناخالصی وجود دارد، بود. نتایج کار آنها نشان داد که برهمکنش الکترون-الکترون در تعیین خواص غیر عادی گرافن نقش حیاتی دارد.

به‌نظر می‌رسد هیچ ماده‌ای در صنعت الکترونیک نمی‌تواند به اندازه گرافن جالب توجه باشد، گرافن ماده‌ای ورقه‌ای از جنس کربن بوده که ضخامت آن به اندازه یک اتم است. الکترون‌ها در سطح این ماده می‌توانند صد برابر سریع‌تر از سیلیکون حرکت کنند. از ویژگی‌های جالب گرافن می‌توان به انعطاف‌پذیری، استحکام و نازک بودن اشاره کرد که به‌همراه هدایت الکتریکی بالا موجب شده تا این ماده پتانسیل بالایی در صنعت الکترونیک داشته باشد. با تمام این تفاسیر، اگر دانشمندان بخواهند از این ماده در صنعت الکترونیک استفاده کنند باید درک کاملی از گرافن داشته باشند و بدانند که چه چیزی موجب شده تا این ماده ویژگی‌های این چنینی داشته باشد.

پژوهشگران آزمایشگاه ملی لورنس برکلی با همکاری همتایان خود در دانشگاه کالیفرنیا قدم‌های موثری در این مسیر برداشته‌اند. مایکل کرومی، فیزیک‌دان و رهبر این تیم تحقیقاتی است که روی رفتار الکترونیکی گرافن کار می‌کند. آنها به مشاهده مستقیم گرافن پرداختند با این هدف که چگونگی پاسخ الکترون‌ها و حفره‌ها را به وجود ناخالصی بارها دریابند. این بارها نوعی پتانسیل کولومبی هستند که روی یک گرافن دروازه وجود دارند. نتایج این تحقیقات، دلایل عملی برای این فرضیه که برهمکنش میان الکترون‌ها برای خواص غیرعادی گرافن حیاتی است، فراهم کرده است.

اتم‌های کربن در گرافن به‌صورت ساختارهای لانه زنبوری قرار گرفته‌اند، الکترون‌ها از میان این ساختارها حرکت می‌کنند و رفتاری مشابه ذرات باردار نسبیتی بدون جرم دارند، برای تصور این حالت پرتوهای نور را در نظر بگیرید که از نظر الکتریکی باردار هستند. از آنجایی که چنین رفتاری را الکترون‌ها آزاد نسبیتی در گرافن دارا هستند به این الکترون‌ها شبه‌ذرات دیراک گفته می‌شود. این نام‌گذاری از روی نام فیزیک‌دانی به‌نام پاو دیراک گرفته شده که در سال ۱۹۲۸ این رفتار را تشریح کرد.

این گروه تحقیقاتی با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی به بررسی گرافن پرداختند و پاسخ‌های این شبه‌ذرات دیراک را به‌وجود ناخالصی‌های کبالت مطالعه کردند. نتایج این تحقیق چگونگی رفتار فرمیون‌های دیراک را در پتانسیل کولومبی نشان داد آنها دریافتند که مقدار دی الکتریک در منطقه‌ای که ناخالصی وجود دارد بسیار کم بوده و در نتیجه برهم‌کنش الکترون-الکترون قادر خواهد روی خواص گرافن تاثیر به‌سزایی داشته باشد