ترازهای انرژی الکترون‌ها در سطح گرافین رفتار عجیبی دارند. این ترازها به جای اینکه به شکل نوارهای مسطح جداگانه‌ای قرار گرفته باشند، به صورت شکل‌های مخروطی متصل به هم هستند. در این شکل‌های مخروطی، نقاطی که در آن دو مخروط به یکدیگر می‌پیوندند نقاط دیراک نام دارد. این نقاط به الکترون‌ها اجازه می‌دهند تا آزادانه بین سطوح انرژی حرکت کنند. الکترون‌ها در این مواد نسبیتی هستند- به این معنا که سرعت آنها می‌تواند به عنوان یک ثابت کلیدی در ماده در نظر گرفته شود.

این خواص مختص به الکترون‌های در حال حرکت در ساختارهای گرافین دو بعدی است، و در ساختارهای سه بعدی، توده ای یا کربن معدنی مانند گرافیت یا الماس دیده نمی‌شود. در سال 2007، گروهی از فیزیکدانان نظری در دانشگاه پنسلوانیا (UPenn) در فیلادلفیا پیش‌بینی کردند که نیمه‌فلزات خاصی- موادی با خواص الکتریکی عایق‌ها- نیز وجود دارند که می‌توانند حاوی مخروط‌های دیراک مشخصی در سه بُعد بوده، و الکترون‌های نسبیتی داشته باشند. پاییز گذشته، سه گروه از دانشمندان تجربی، شواهدی را برای وجود این نیمه‌فلزات دیراک گزارش دادند. یکی از این مقاله‌ها، که کار بر روی کریستال‌های تری‌سدیم بیسموتات را ارائه می‌دهد، اکنون در مجله Science به چاپ رسیده است.

دیدن نور

چارلز کین (Charles Kane) یکی از فیزیکدانان نظری در گروه دانشگاه UPenn که ویژگی‌های گرافینِ سه بعدی در سال 2007 را پیش‌بینی کردند می‌گوید "این حقیقت که چنین موادی وجود دارند و دریچه‌ای را به روی آشکار کردن خواص‌شان می‌گشاید واقعا پیشرفت باشکوهی است "

اوگن مِل (Eugene Mele)، یکی دیگر از نظریه‌پردازان ماده چگال و از اعضای تیم دانشگاه پِن، می‌گوید تمام این سه مقاله کشفیات و اثبات‌های معتبری از نیمه-فلزهای دیراک هستند، اما گزارشی که در مورد تری‌سدیم بیسموتات ارائه شده بسیار قانع‌کننده‌تر است.

برای اثبات این موضوع که سطوح انرژی الکترون‌ها در این ماده، ساختار گفته شده را دارد محققان در این سه گروه فوتون‌هایی را مطالعه کردند که در داخل کریستال‌ها با الکترون‌ها اندرکنش دارند . آشکارکردن الگویی که فوتون‌ها در آن با یک ماده چگال اندرکنش دارند موضوع چالش‌برانگیزی است و گروه تری‌ سدیم بیموتات این مساله را با تنظیم دقیق انرژی گسیل شده از نور حل کردند. این نور در منبع نوری پیشرفته در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی در کالیفرنیا ایجاد شد.

به گفته یولین چِن (Yulin Chen)، فیزیکدانی در دانشگاه آکسفورد که بر روی تری‌سدیم بیسموتات نیز کار می‌کند، هر چند ساختار الکترونی این مواد در بسیاری جهات مشابه با ساختار الکترونی گرافین است، اما انتظار می‌رود که الکترون‌هایش جفت‌شدگی قوی‌تری بین ویژگی‌های الکترونی و مغناطیسی داشته باشند. از این رو اسپین‌های مغناطیسی این ماده می‌تواند با اعمال میدان مغناطیسی خارجی کنترل شود. این موضوع می‌تواند آنها را برای استفاده در ابزارهای اسپینترونیکی مورد استفاده قرار دهد. اسپینترونیک فن‌آوری نوظهوری است که در آن اطلاعات در اسپین‌ها یا جهت‌گیری‌های مغناطیسی الکترون‌های و اتم‌ها رمز نگاری می‌شود، به این معنا که توان الکتریکی کمتری برای ذخیره اطلاعات احتیاج است. این مواد همچنین به شدت به میدان مغناطیسی پاسخ می‌دهند، و از این رو می‌توانند انتخاب خوبی برای ذخیره اطلاعات در سخت‌افزارهای به‌شدت چگال کامیپوتری باشند.

منبع: http://www.nature.com/news/wonders-of-flat-physics-now-seen-in-3d-1.14538