UCLA teadlased otsustasid töötada välja parema transistori kuid leidsid hoopis uue viisi kuidas mõelda ruumi struktuuri üle.
Ruumi peetakse üldiselt lõputult jagatavaks – iga kahe punkti keskele jääb alati veel üks punkt. Hiljutises, ülikiirete grafeenipõhiste transistorite väljatöötamist kirjeldavas artiklis näitasid aga UCLA Füüsikaosakonna ja California NanoSüsteemide Instituudi teadlased et kui jagada ruum diskreetseteks piirkondadeks nagu malelaua ruudud, on võimalik kirjeldada lõplikku raadiust mitteomavate punktisarnaste elektronide võimet kanda oma sisemist impulsimomenti ehk spinni, kirjutab sciencedaily.com.
Elektrone arvatakse pöörlevat kuigi nad on ainult punktosakesed, milledel puudub pind mis pöörelda saaks. Hiljutine grafeeni kohta tehtud uurimustöö näitab, et elektroni spinn võib tuleneda asjaolust, et väikestel vahemaadel pole ruum tasane vaid pigem segmenteeritud, justnagu maleruudustik. Pilt: Chris Regan/CNSI)
Uurides grafeeni elektrilisi omadusi leidsid professor Chris Regan ja doktorant Matthew Mecklenburg et osake võib saada spinni asudes ruumis, milles leidub kahte tüüpi asendeid – tumedad ja heledad ruudud. Osake paistab pöörlevat, kui ruudukesed on üksteisele nii lähedal et nende eraldiolekut ei annagi tuvastada.
,,Elektroni spinn võib tekkida seetõttu, et ruum pole väikeste vahemaade puhul tasane vaid pigem segmenteeritud, justnagu malelaud,” sõnas Regan.
Kvantmehaanikas viitavad up ja down spinn kahele olekutüübile, mida elektron omada võib. Fakt et elektroni spinnil võib olla ainult kaks väärtust – mitte üks, kolm või lõpmatu arv – aitab seletada aine stabiilsust, keemilise sideme olemust ning palju teisi fundamentaalseid nähtusi.
Siiski pole kindel kuidas elektron spinnist tulenevat impulsimomenti käigus hoiab. Kui elektronil oleks raadius, siis peaks selle pind liikuma kiiremini kui valguse kiirus, rikkudes seeläbi relatiivsusteooriast tulenevaid seadusi. Lisaks näitavad eksperimendid et elektronil puudub raadius; arvatakse et see on lihtsalt punkt-osake, millel puudub pind või alamstruktuur, mis pöörelda võiksid.
1928. aastal näitas Briti füüsik Paul Dirac et elektroni spin on lähedalt seotud aegruumi struktuuriga. Tema elegantne argument kombineeris omavahel kvantmehaanika ja erirelatiivsuse, Einsteini aegruumi teooria(seda esindab kuulus valem E=mc2).
Diraci võrrand aga, mis mitte lihtsalt ei sisalda spinni, lausa nõuab selle olemasolu. Näidates aga et relativistlik kvantmehaanika nõuab spinni, ei saa me võrrandi abil mehaanilist pilti, mis seletaks punktosakese võimet impulsimomenti kanda või spinni kahte olekutüüpi.
Avaldades idee, mis mis on korraga nii uudne kui ka eksitavalt lihtne, leidsid Regan ja Mecklenburg et elektronide kahetüübiline spinn võib tekkida kaht tüüpi ruudukeste olemasolust maleruudustiku sarnases ruumis. Selle kvantmehaanilise mudeli töötasid nad välja üllatavalt praktilise probleemi kallal töötades – kuidas valmistada paremaid transistoreid grafeenist.
,,Me tahtsime arvutada välja grafeentransistori võimendust,” sõnas Mecklenburg. ,,Meie koostööpartner ehitas neid ning tahtis teada kui hästi need töötama hakkavad.”
See arvutus hõlmas endas valguse ja grafeeni elektronide vahelise vastastikmõju mõistmist.
Grafeenis olevad elektronid liiguvad hüpates ühest süsiniku aatomist teise, justkui malenupud malelaual. Grafeeni maleruudustiku ruudud on kolmnurksed, kusjuures tumedad ruudud osutavad üles- ja heledad ruudud allapoole. Kui grafeenis olev elektron neelab footoni, hüppab see heledalt ruudult tumedale. Mecklenburg ja Regan näitasid et see üleminek on võrdne spinni suuna muutumisega.
Teisisõnu, grafeeni elektroni piiramine ruumi kindlasse piirkonda annab sellele spinni. See spinn, mis tuleneb grafeeni erilise meekärje sarnase struktuuri omapärasest geomeetriast, on elektroni kantavast tavalisest spinnist erinev kuid annab sellele samas juurde. Grafeenis seostab lisaspinn lahtise maleruudustiku struktuuri elektroni poolt hõlmatava ruumipiirkonnaga.
,,Veel ei ole kindel, kas see uurimustöö toob rohkem kasu osakeste- või kondensaine füüsikas,” ütles Regan. ,,Oleks imelik kui ainult grafeeni meekärjeline struktuur oleks ainus spinni tekitav võrestik.”
Teadusartikkel “Spin and the Honeycomb Lattice: Lessons from Graphene“