پژوهشگران نشان دادند که چگونه دو لایه رسانا از جنس کربن می‌توانند با حصول شرایطی به‌صورت عایق عمل کنند.
دو لایه رسانا، با هم یک عایق می‌سازند
قانون اهم در کلاس فیزیک شناخته شده است. این قانون می‌گوید که مقاومت یک رسانا و ولتاژ وارد شده به آن تعیین می‌کند که چقدر مقدار جریان از میان آن عبور کند. الکترون‌های موجود در ماده به روشی نامنظم و تا حد زیادی مستقل از یکدیگر حرکت می‌کنند. با این حال، هنگامی که حامل‌های بار به شدت بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند، این رفتار دیگر ساده نیست.
به‌عنوان مثال، در گرافن دو لایه پیچ‌خورده که چند سال پیش کشف شد، این مورد وجود دارد. این ماده از دو لایه گرافن نازک ساخته شده که هر یک از یک لایه اتم کربن تشکیل شده است. اگر دو لایه مجاور نسبت به یکدیگر کمی پیچ خورده باشند، الکترون‌ها می‌توانند به‌گونه‌ای تحت تأثیر قرار گیرند که به شدت با یکدیگر تعامل داشته باشند. در نتیجه، این ماده می‌تواند ابررسانا شود و جریان را بدون هیچ گونه تلفاتی هدایت کند.
گروهی از محققان به سرپرستی کلاوس انسلین و توماس آهن در آزمایشگاه فیزیک حالت جامد در ETH زوریخ، به همراه همکارانش در دانشگاه تگزاس در آستین، اکنون حالت جدیدی را در لایه‌های پیچیده دوگانه گرافن مشاهده کرده‌اند. در آن حالت، الکترون‌های دارای بار منفی و حفره‌های دارای بار مثبت، آنقدر با یکدیگر در ارتباط هستند که این مواد دیگر جریان الکتریکی را هدایت نمی‌کنند.
پیتر ریکهاوس، از محققان این پروژه، توضیح می‌دهد: «در آزمایش‌های معمولی که در آن لایه‌های گرافن نسبت به یکدیگر تا حدود یک درجه پیچ خورده‌اند، تحرک الکترون‌ها تحت تأثیر تونل مکانیک کوانتومی بین لایه‌ها قرار می‌گیرد. در این آزمایش جدید، ما دو لایه گرافن را بیش از دو درجه نسبت به یکدیگر می‌پیچانیم، به طوری که الکترون‌ها اساساً دیگر نمی‌توانند بین دو لایه تونل بزنند.»
در نتیجه، با اعمال میدان الکتریکی، می‌توان الکترون‌ها را در یکی از لایه‌ها و حفره را در لایه دیگر ایجاد کرد. هر دو الکترون و حفره می‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند. بنابراین، می‌توان انتظار داشت که دو لایه گرافن با هم یک رسانای بهتر را با مقاومت کوچکتر تشکیل دهند. با این حال، تحت شرایط خاصی، دقیقاً عکس آن ممکن است اتفاق بی‌افتد.
همان‌طور که فولکر دو وریس توضیح می‌دهد: «اگر میدان الکتریکی را طوری تنظیم کنیم که تعداد الکترون‌ها و حفره‌های یکسانی در دو لایه قرار گیرند، مقاومت ناگهانی به شدت افزایش می‌یابد.»
برای چندین هفته، انسلین و همکارانش نتوانستند این نتیجه شگفت‌انگیز را درک کنند، اما سرانجام همکار نظری آن‌ها، آلن اچ. مک دونالد از آستین به آن‌ها نکته‌ای قاطع داد: طبق گفته مک دونالد، آن‌ها نوع جدیدی از موج چگالی را مشاهده کرده بودند.
امواج چگالی بار معمولاً در رساناهای تک‌بعدی هنگامی که الکترون‌های موجود در مواد، جریان ایجاد کنند و از نظر مکانی به‌صورت امواج قرار می‌گیرند، بوجود می‌آیند. در آزمایشی که توسط محققان ETH انجام شد، اکنون این الکترون‌ها و حفره‌ها هستند که با جذب الکترواستاتیک با یکدیگر جفت می‌شوند؛ بنابراین یک موج چگالی جمعی را تشکیل می‌دهند. با این حال، این موج چگالی از زوج الکترون-حفره که از نظر الکتریکی خنثی است، تشکیل شده است، به طوری که دو لایه که با هم گرفته شوند دیگر نمی‌توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند.
نتایج این پروژه در نشریه Science منتشر شده است.
