Ученые измерили квантовую емкость графена, Hi-Tech

Квантовая емкость одного (синий график) и двух (красный график) слоев графена. Изображение авторов исследования

Ученые из Китая и США определили величину квантовой емкости графена. До сих пор физикам не удавалось провести прямые измерения этой важной характеристики нового материала. Свои результаты исследователи опубликовали в журнале Nature Nanotechnology. Коротко работа описана в пресс-релизе Университета штата Аризона.

Графен представляет собой двумерный слой из атомов углерода, сорганизованных в шестиугольные ячейки. Благодаря своим характеристикам новый материал представляет большой интерес для ученых и инженеров. Графен отличается чрезвычайно высокой прочностью и выдающейся электропроводностью. Для использования материала в практических целях специалистам необходимо хорошо изучить и другие его свойства.

Одной из характеристик графена, для которой до сих пор были получены только теоретические предсказания, является его квантовая емкость. Понятие емкости подразумевает способность материала вместить в себя нечто, например, некоторое количество зарядов. В случае двумерных структур квантовая емкость связана с запретом, или принципом, Паули. Он гласит, что два фермиона (элементарные частицы, к которым относятся протоны, нейтроны и электроны) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Если квантовое состояние с наименьшей энергией занято частицей, другие фермионы вынуждены заполнять состояния с более высокими энергиями.

Квантовая емкость графена была предсказана теоретически. Расчеты показывали, что ее значение очень мало, а чувствительность углеродного монослоя, напротив, высока. Эти характеристики позволяют использовать графен для создания биосенсоров.

Авторы нового исследования смогли непосредственно измерить квантовую емкость графена, используя систему из трех электродов и пропуская через углеродный слой различное напряжение. Экспериментальный результат не полностью согласовывался с теоретической кривой. Авторы объяснили обнаруженные несоответствия наличием примесей.

Недавно появилось сообщение, что физикам удалось изучить и смоделировать поведение отдельных атомов углерода на границе разрыва графенового листа.