محققان مؤسسه‌ی فناوری جورجیا و مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری (NIST) توانستند با استفاده از روش‌های بدیع اندازه‌گیری، طیف انرژی غیر عادی گرافن را مستقیماً اندازه‌گیری کنند. در این مطالعه ـ که در مجله‌ی Science منتشر شدـ جزئیات تازه‌ای درباره‌ی توصیف خواص و پدیده‌های فیزیکی غیر عادی گرافن به دست آمد.
کشف رازهایی درباره‌ی خواص غیر عادی گرافن
رفتار عجیب گرافن دورنمای شگفت‌انگیزی را برای فناوری‌های آینده ترسیم می‌کند، که از آن جمله می‌توان به اجزای الکترونیکی پرسرعت مبتنی بر گرافن اشاره کرد که می‌توانند جایگزین مدارهای مجتمع مبتنی بر سیلیکون و سایر تجهیزات امروزی شوند.
الکترون‌های گرافن حتی در دمای معمولی هم صدها برابر سریع‌تر از الکترون‌های متحرک سیلیکون حرکت می‌کنند که دلیل آن، ظاهراً این نکته است که الکترون‌ها و دیگر حامل‌های بار در گرافن به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که گویی هیچ وزنی ندارند. در مواد معمولی سرعت الکترون‌ها متناسب با انرژی آنهاست؛ این در حالی است که در گرافن چنین مسئله‌ای وجود ندارد و اگرچه سرعت الکترون‌ها به سرعت فوتون‌ها نمی‌رسد، مانند فوتون‌ها به شکلی مستقل از انرژی خود حرکت می‌کنند. این رفتار عجیب می‌تواند شگفتی‌های بیشتری را به همراه داشته باشد؛ به‌طوری که با قرار گرفتن رساناهای قوی در یک میدان مغناطیسی قوی، ترازهای انرژی ـ که حامل‌های بار در درون آنها در حال حرکت هستند ـ به‌طور مساوی شکافته می‌شوند؛ ولی در گرافن این سطوح انرژی به‌دلیل اینکه جرم ندارد، الکترون‌ها به‌طور ناهموار شکافته می‌شوند.
پژوهشگران با استفاده از ابزار ویژه‌ای ـ که می‌تواند با بزرگ‌نمایی یک میلیارد برابر روی لایه‌های گرافن زوم کند ـ موفق به ردیابی حالات الکترونی در حین اعمال میدان مغناطیسی شدند.آنها از طریق جارو کردن میدان مغناطیسی اطراف نمونه‌های گرافن به‌وسیله‌ی این ابزار (نوعی میکروسکوپ تونلی با خلأ بسیار بالا و دمای بسیار پایین است) توانستند شکافتگی غیر یکنواخت ترازهای انرژی را مشاهده و نقشه‌ی باکیفیتی از توزیع سطوح انرژی در گرافن را ارائه کنند. برخلاف فلزات و دیگر مواد هادی ـ که مسافت بین یک پیک انرژی تا پیک بعدی در آنها یکسان است ـ این مسافت در گرافن متغیر است.
محققان همچنین پس از بررسی پدیده‌ی «حالت انرژی صفر» ، نقشه‌ی فضایی آن را ارائه کردند. حالت انرژی صفر پدیده‌ای است که در آن ماده تا وقتی که میدان مغناطیسی اعمال نشود، هیچ حامل انرژی ندارد.
این اندازه‌گیری‌ها همچنین حاکی است، آن دسته از لایه‌های گرافنی که روی زیرلایه‌های سیلیکون کاربید رشد داده شده‌اند، همانند صفحات دوبعدی مجزا و منفرد عمل می‌کنند و به لایه‌های مجاور خود متصل نیستند. این یافته‌ها ممکن است به‌منظور ساخت توده‌های یکنواخت گرافن ـ که در ابزار الکترونیکی مبتنی بر کربن کاربرد دارند ـ نمایان‌گر روش‌هایی باشند.
