Elektronen in grafeen bewegen alsof ze geen massa bezitten

Een laagje grafiet van één atoom dik vertoont niet eerder waargenomen exotische quantumeigenschappen. Zo blijken de elektronen te bewegen alsof ze geen massa bezitten, stijgt de elektrische weerstand niet boven een maximum uit, ook al zijn er geen vrije elektronen, en is er sprake van een bijzondere vorm van het quantum Hall-effect. De resultaten komen van twee groepen fysici uit Manchester, Chernogolovka (Rusland) en New York, terwijl ook de Radboud Universiteit Nijmegen in de persoon van Mikhail Katsnelson een theoretische bijdrage levert (Nature, 10 nov.).

Deze effecten zijn waargenomen in grafeen. Dat is een laagje grafiet (koolstof uit een potlood) van niet meer dan één atoom dik, zodat het is op te vatten als een tweedimensionaal materiaal. Grafeen is in 2004 voor het eerst gemaakt. De koolstofatomen vormen een zeshoekige, rigide kristalstructuur (honingraat). Ieder koolstofatoom zit vast aan drie buren, en omdat koolstof vierwaardig is, levert ieder atoom één elektron dat vrij door het materiaal kan bewegen. Dus is grafeen een uitstekende stroomgeleider.

Naar nu blijkt zijn de elektronische eigenschappen van grafeen spectaculair te noemen. Terwijl in dunne laagjes halfgeleidermateriaal elektronen gehoorzamen aan niet-relativistische wetten voor deeltjes die met lage snelheid bewegen (de wetten van Newton en de quantummechanische Schrödingervergelijking), heeft hun gedrag in grafeen veel weg van de relativistische massaloze deeltjes uit Einsteins relativiteitstheorie, zoals beschreven door de Diracvergelijking. In de praktijk bewegen de grafeen-elektronen niet met de lichtsnelheid (300.000 km/s) maar een factor 400 trager – nog altijd stukken hoger dan de snelheid van elektronen in halfgeleiders.

Het quantum Hall-effect is de quantummechanische variant op hetgeen Edwin Hall in 1879 waarnam. Wanneer loodrecht op een geleidend oppervlak een magneetveld staat, ondervinden de elektronen van (die de stroom uitmaken) een afbuiging. Resultaat is een spanningsverschil tussen boven- en onderkant van de geleider: de Hall-spanning. Bij zeer lage temperatuur doen quantumeffecten hun intrede. Deeltjes gaan zich als golven gedragen, alleen bepaalde golflengtes passen in het kristal en het resultaat is een Hall-effect dat niet geleidelijk met de temperatuur verandert naar sprongsgewijs. Bij grafeen blijkt dit quantum Hall-effect een speciale vorm aan te nemen die het relativistische karakter van de elektronen nog eens bevestigt.

Zonder uitwendig magneetveld vertoont de elektrische weerstand van grafeen een maximum. Zelfs als het superdunne grafiet geen vrije elektronen heeft, stijgt de weerstand daar niet bovenuit. In normale kristallen zou de weerstand in een situatie zonder vrije elektronen naar oneindig schieten. Kortom, grafeen leent zich prima om in tamelijk eenvoudige experimenten eigenschappen van de vaste stof op fundamenteel niveau te onderzoeken.