Grafen bilim ışığında üretilmiş özel bir malzemedir. Pek çok yeteneğinin yanı sıra, bir süper iletken olarak hareket edebilir, ultra nadir bir manyetizma biçimi oluşturabilir ve tamamen yeni kuantum halleri yaratabilir. Grafen şimdi başka bir şaşırtıcı avantaja sahip: sıcaklığı mutlak sıfıra düşürmek zorunda kalmadan manyetodirenç okumalarını kaydedebilir.
Yüksek manyetorizans – bir malzemenin bir manyetik alana tepki olarak elektrik direncini değiştirme yeteneği – nispeten nadirdir, ancak bu şekilde özelliklerini değiştirebilen malzemeler bilgisayarlarda, otomobillerde ve tıbbi cihazlarda faydalıdır.
Grafenin en ilginç davranışı ve gerçekten de en yüksek manyetodirenç, genellikle ultra düşük sıcaklıklarda gözlenir.
Bu son deneyde, İngiltere’deki Manchester Üniversitesi ve Lancaster Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, yüksek kaliteli grafeni oda sıcaklığında manyetik alanlara maruz bıraktılar ve tepkisini ölçtüler. Bu bilim çalışmaları özenle yürütülmektedir.
Üniversiteden malzeme bilimcisi Alexei Berdyugin, “Geçtiğimiz 10 yılda, grafen cihazlarının elektronik kalitesi önemli ölçüde arttı ve herkes, çevre koşullarında neler olduğunu göz ardı ederek, sıvı helyumun düşük sıcaklıklarında yeni fenomenler bulmaya odaklanmış görünüyor Sıcaklığı artırmaya karar verdik ve aniden pek çok beklenmedik olay ortaya çıktı.” diyor.
Araştırmacılar, iletkenliğini yalnızca sıcaklığın değiştirebilmesini sağlamak için saf ve değiştirilmemiş bir grafen formu kullandılar.
Sıcaklıktaki bir artış, malzemedeki yüklü parçacıkları harekete geçirerek, zıplarken boşlukları veya “delikleri” açığa çıkarır. Standart kalıcı mıknatısların etkisi altında, ısıtılmış grafen, daha önce hiçbir malzemede görülmemiş yüzde 100’ün üzerinde bir manyetodirenç tepkisi göstererek yeni bir rekor kırdı. Bu reaksiyonu bir perspektife oturtmak için, oda sıcaklığında ve gerçek manyetik alanlarda, çoğu metal ve yarı iletken elektrik direncini yalnızca yüzde 1 oranında değiştirir.
Araştırmacılar bunun, negatif yüklü elektronların hareketliliği ve dengesi ile elektronlar hareket ettikten sonra geride kalan pozitif yüklü boşluklardan kaynaklandığını söylüyor. İngiltere’deki Lancaster Üniversitesi’nden fizikçi Leonid Ponomarenko, “Oda sıcaklığında katkısız, yüksek kaliteli grafen, prensipte on yıl önce keşfedilmiş olabilecek, ancak bir şekilde herkesin gözden kaçırdığı tamamen yeni bir rejimi keşfetmeyi mümkün kılıyor” diyor. “Bu garip metal rejimini incelemeyi planlıyoruz ve daha da ilginç sonuçlar, fenomenler ve uygulamalar kesinlikle takip edecek.”
İlginç bir test sonucu daha ortaya çıktı. Sıcaklık yükseldikçe, değiştirilmemiş grafen, hala tam olarak anlamadığımız bir malzeme türü olan “garip metal” olarak bilinen bir malzeme haline geldi. Bu metaller hakkında bildiğimiz şey, beklemediğimiz şekillerde çalıştıkları ve bu grafen için de geçerli.
Özellikle sıcaklık ve elektrik direnci arasındaki ilişki, sıradan metallerden farklı çalışır. Gerçek dünya araştırması için acil bir çıkarım olmasa da, malzemelerin ve fiziklerinin nasıl çalıştığına dair anlayışımızı büyük ölçüde genişletiyor ve grafenin ne kadar özel ve çok yönlü olduğuna daha fazla ışık tutuyor.
Manchester Üniversitesi’nden fizikçi ve malzeme bilimcisi Andre Geim, “Benim gibi grafenle çalışan insanlar, her zaman fiziğin bu altın madeninin uzun zaman önce tükenmiş olması gerektiğine inanmışlardır” diyor. “Malzeme bizi haksız çıkarmaya devam ediyor ve başka bir düzenleme buluyor. Bugün bir kez daha kabul etmeliyim ki Graphene öldü, yaşasın Graphene.”
Grafen Nedir?
Grafen, altıgen bir kafes ile bir nanoyapıda düzenlenmiş tek bir atom tabakasından oluşan bir karbon allotropudur. İsim, “grafit” kelimesinden ve karbonun grafitik allotropik formunun çok sayıda çift bağ içerdiği gerçeğini yansıtan -ene sonekinden gelir. Bir grafen tabakasındaki her atom, güçlü bir σ bağıyla en yakın üç komşuya bağlıdır ve tüm tabakayı kapsayan valans bandına bir elektron katar.
Aynı tip bağ, karbon nanotüpler ve polisiklik aromatik hidrokarbonların yanı sıra fullerenler ve camsı karbonda da gözlenir.
Değerlik bandı, iletim bandına dokunarak grafeni, kütlesiz göreli parçacık teorileri tarafından en iyi şekilde tanımlanan olağandışı elektronik özelliklere sahip bir yarı metal haline getirir. Grafendeki yük taşıyıcıları, enerjinin momentuma ikinci dereceden bir bağımlılığından ziyade doğrusal bir bağımlılığı gösterir ve iki kutuplu iletim sergileyen grafen FET’ler üretilebilir.
Yük taşımacılığı, uzun mesafelerde balistiktir; malzeme, büyük kuantum dalgalanmaları ve büyük ve doğrusal olmayan diamanyetizma sergiler. Grafen, düzlemi boyunca ısı ve elektriği çok verimli bir şekilde iletir. Malzeme, grafitin siyah rengine neden olan tüm görünür dalga boylarındaki ışığı güçlü bir şekilde emer; Bununla birlikte, bir grafen tabakası, aşırı inceliği nedeniyle neredeyse şeffaftır. Bu malzeme, aynı kalınlıktaki en güçlü çelikten yaklaşık 100 kat daha güçlüdür.
Bu yazı Nature adresinden derlenmiştir.