A grafén fizikája. Cserti József. ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék

Hasonló dokumentumok
A grafén, a nanofizika egyik reménysége

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

A évi fizikai Nobel díj a grafénért

József Cserti. ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék. A évi fizikai Nobel-díj. a topológikus fázisokért...

Az optika a kvantummechanika előszobája


Grafén sávszerkezetének topológiai átalakulásai

Az elektromágneses hullámok

Újabb eredmények a grafén kutatásában

Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

Egy kvantumradír-kísérlet

a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( )

Ahol a hullámok karamboloznak

Az optika tudományterületei

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

A modern fizika születése

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Idegen atomok hatása a grafén vezet képességére

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Abszorpciós fotometria

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Van-e a vákuumnak energiája? A Casimir effektus és azon túl

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Spin Hall effect. Egy kis spintronika Spin-pálya kölcsönhatás. Miért szeretjük mégis? A spin-injektálás buktatói

FIZIKAI NOBEL-DÍJ, Az atomoktól a csillagokig dgy Fizikai Nobel-díj 2013 a Higgs-mezôért 10

Graphene the perfect atomic lattice

Bevezetés a grafén fizikájába

a magspin és a mágneses momentum, a kizárási elv (1924) a korrespondencia-elv alkalmazása a diszperziós formulára (1925)

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

KVANTUMMECHANIKA. a11.b-nek

egyetemi állások a relativitáselmélet általánosítása (1915) napfogyatkozás (1919) az Einstein-mítosz (1920-tól) emigráció 1935: Einstein-Podolsky-

Zitterbewegung. általános elmélete. Grafén Téli Iskola Dávid Gyula ELTE TTK Atomfizikai Tanszék

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

A spin. November 28, 2006

az Aharonov-Bohm effektus a vektorpotenciál problémája E = - 1/c A/ t - φ és B = x A csak egy mértéktranszformáció erejéig meghatározott nincs fizikai

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Utazások alagúteffektussal

Thomson-modell (puding-modell)

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

1. SI mértékegységrendszer

Elektronok mozgása nanostruktúrákban 2-D elektrongáz, kvantumdrót és kvantumpötty

Szilárdtestek el e ek e tr t o r n o s n zer e k r ez e et e e t


2, = 5221 K (7.2)

Stern Gerlach kísérlet. Készítette: Kiss Éva

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

A relativitáselmélet története

Geometriai és hullámoptika. Utolsó módosítás: május 10..

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

dinamikai tulajdonságai

Kvantumszámítógép a munkára fogott kvantummechanika

A periódusos rendszer, periodikus tulajdonságok

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

A kémiai kötés magasabb szinten

Speciális relativitás

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Mágnesség és elektromos vezetés kétdimenziós

Modern fizika vegyes tesztek

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

Mérés és adatgyűjtés

Munkagázok hatása a hegesztési technológiára és a hegesztési kötésre a CO 2 és a szilárdtest lézersugaras hegesztéseknél

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

KÖSZÖNTJÜK HALLGATÓINKAT!

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Nanotanoda: érdekességek a nanoanyagok köréből

Kémiai kötések. Kémiai kötések kj / mol 0,8 40 kj / mol

Ábragyűjtemény levelező hallgatók számára

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék


A testek részecskéinek szerkezete

Részecskék hullámtermészete

9. évfolyam. Osztályozóvizsga tananyaga FIZIKA

Wolfgang Ernst Pauli életútja. Gáti József

A TÖMEGSPEKTROMETRIA ALAPJAI

Grafén nanoszerkezetek

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

Optika és Relativitáselmélet

TÁVKÖZLÉSI ISMERETEK FÉNYVEZETŐS GYAKORLAT. Szakirodalomból szerkesztette: Varga József

A Relativisztikus kvantummechanika alapjai

A légköri sugárzás. Sugárzási törvények, légköri veszteségek, energiaháztartás

Hadronok, atommagok, kvarkok

Osztályozó vizsga anyagok. Fizika

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Színképelemzés. Romsics Imre április 11.

Átírás:

Cserti József ELTE, TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék A grafén fizikája Az előadásról cikk jelent meg a Természet Világa 2009. januári számában Atomcsill, 2009. január 29, ELTE, TTK, Fizikai Intézet, Budapest

A szén két módosulata Grafit Gyémánt

Grafit Gyémánt Nagyon puha Átlátszatlan Elektromosan jó vezető Nagyon olcsó Nagyon kemény Átlátszó Szigetelő Nagyon drága

A szén további módosulatai Fullerén, C60 (1985) Grafén (2004) Nanocső (1991) gyémánt grafit Kürti Jenő: Szén nanocsövek: mik azok és mire jók? (Az atomoktól a csillagokig, www.atomcsill.elte.hu)

A szénatomok elhelyezkedése a grafénben a=1.42 A szén atomok egyetlen atomi rétege: grafén méhsejt-szerű szerkezet C atomok közti távolság a = 1.42 A. Két alrács (A,B atomok)

10 nm méretű grafén pikkely (30 réteg) Grafén szilicium-oxid lapkán. Elektródákat kapcsoltak hozzá. Andre Geim és csoportja, Manchester

Egy atomrétegnyi kristály: a legvékonyabb anyag, amivel valaha találkoztunk

Dr. Jeanie Lau, UC Riverside Mérések grafénen

Pásztázó alagútmikroszkóp

Pásztázó alagútmikroszkópos felvételek grafénről az ELTE-n Huhn Andrásné, ELTE, TTK, Anyagfizikai Tanszék növelve a felbontást

tovább növelve a felbontást három dimenziós kép

Elektron-kötések grafénben p z pálya sp 2 kötés Szén 4 vegyértékű, 4 elektron Ebből 3 elektronsp 2 kötést alakítja ki a grafén síkjában A 4. elektron, a p z pálya merőleges a grafén síkjára A p z pályán lévő elektron átugorhat a szomszédos atomra, kovalens kötés sávszerkezet

Az elektron energiája függ a sebességétől és a terjedés irányától vezetési sáv (üres) (diszperzió) Energia-szintvonalak, térkép E K Γ M p y p y Vegyértéksáv p x K (teljesen be van töltve) p x

Dirac-kúpok vezetési sáv E K pont környéke kinagyítva energia p x p y k y E(k) Paul Dirac (1902-1984) k x p x p y vegyértéksáv A K pontok körül lineáris az energia impulzustól való függése Dirac-kúpok (Dirac cones):, ahol fénysebesség

Klasszikus mechanika Az impulzus arányos a test sebességével: ahol m az elektron tömege Fémekben az elektron energiája négyzetesen arányos a test impulzusával! az elektron sebessége kb. 1000 km/s

Relativisztikus mechanika Ha a részecske nyugalmi tömege zérus, azaz m = 0 Albert Einstein (1879-1955) A részecske energiája arányos az impulzusával! Van ilyen részecske? Lássuk! Sajnos kicsit izzadni kell.

Klasszikus kvantummechanika A Schrödinger-egyenlet (1926) Ψ(r,t) hullámfüggvény Erwin Schrödinger (1887-1961) de Broglie-hullámhossz: Planck-állandó elektron sebessége Schrödinger-egyenlet Ψ(r,t)-re Max Planck (1858-1947) Louis de Broglie (1892-1981) Az elektron megtalálási valószínűsége: Cserti József: A nanofizika új eredményei (Az atomoktól a csillagokig, www.atomcsill.elte.hu)

c) Meglepő, új megoldás: speciális relativitáselmélet Dávid Gyula előadása (2009. jan. 15. atomcsill előadás) Klasszikus mechanika Elektrodinamika Módosított szimmetria elvek OK Hibás a klasszikus mechanika! Kissé módosított szimmetriaelvek: Galilei helyett Lorentz Az atomoktól a csillagokig dgy 2009. 01. 15. Relativisztikus paradoxonok 7

Relativisztikus kvantummechanika, Dirac-egyenlet Klasszikus kvantummechanika Schöridnger-egyenlet (1926) Meglepő, új megoldás: Módosított szimmetria elvek Milyen elmélet??? Relativisztikus kvantummechanika Dirac-egyenlet (1928) OK Paul Dirac (1902-1984) Dirac megjósolta a pozitron (az elektron antirészecskéje), majd Carl Anderson 1932-ben kísérletileg is megfigyelte Dirac értelmezte az elektron spinjét

Lássuk! Van-e zérus nyugalmi tömegű részecske? Egy különös anyag, a fény Foton sebessége: Foton energiája: (Planck, 1900. december 14, a kvantummechanika születése, 1918. Nobel-díj) de Broglie-hullám: Láttuk: A foton tömege zérus! A Maxwell-egyenletek írják le, ami összhangban van a speciális relativitás elmélettel.

Vissza a grafénhez Láttuk: fénysebesség: Összefoglalva: Grafénben az elektronok mozgása a Dirac által kidolgozott relativisztikus kvantummechanika törvényét követi, amelyben a részecske nyugalmi tömege zérus. Vigyázat! Az analógia csak formális, az elektron nem mozog relativisztikus sebességgel, ez az elektronnak a kristályráccsal való kölcsönhatásának köszönhető.

K. Novoselov et al., Science 306, 666 (2004) K. Novoselov et al., Nature 438, 197 (2005) Y. Zhang et al., Phys. Rev. Lett. 94, 176803 (2005) Y. Zhang et al., Nature 438, 201 (2005) K. Novoselov et al., Nature Physics 2, 177 (2006) Az első mérések grafénben

Hall-effektus kis mágneses tér (B < 1Tesla) Edwin H. Hall 1879 feszültség y B z I x áram U Hall-ellenállás:

Kvantált Hall-effektus (egész) R H A hőmérséklet néhány Kelvin A mágneses tér több Tesla B Univerzális állandó!!! Klaus von Klitzing Max-Planck-Intézet Stuttgart 1985. Nobel-díj

Tört kvantum Hall-effektus R H még kisebb hőmérséklet, T < 1 K még nagyobb mágneses tér sok kölcsönható elektron B

1998. évi fizikai Nobel-díj Robert B. Laughlin Stanford University Horst L. Störmer Columbia University Daniel C. Tsui Princeton University értéke pontossággal mérhető! Ellenállás standard Amerikai Mérésügyi Hivatal

Kvantált Hall-effektus grafénben Andre Geim és csoportja, Manchester Andre Geim 1/R H B

By Richard Black BBC science correspondent, 1 June, 2003 Scientists in the UK have created a sticky tape which works in the same way as gecko feet. The researchers say the material clings so well to a surface that by covering the palm of one hand with the tape, a person could hang from the ceiling just like the remarkable lizard. So far, however, Professor Andre Geim and colleagues have only been able to make a very small square of their gecko tape because of the difficulties involved in the fabrication process. hajszálnál is vékonyabb műanyag szálak

Lehetséges alkalmazások Grafén alapú elektronika: Elektronikai eszközök bizonyos elemeinek grafénnel történő helyettesítése. Nagy áram, mechanikailag stabil. Az elektron akár 0.3 μm utat is megtehet szabadon!!!! Nagyon gyors kapcsolási idő < Grafén alapú kvantum számítógép?!? Hidrogén tárolás Kémiai szenzor (gáz molekulák érzékelése) A grafén nem sík: görbült tér + Dirac egyenlet, általános relativitáselmélet Tört kvantum Hall-effektus Szupravezető-grafén rendszer Csak 4 éve kutatják a grafént! Negatív törésmutató:

Köszönet: Dávid Gyula: ELTE, Atomfizika Tanszék Csordás András: ELTE, Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Pályi András: ELTE, volt PhD hallgató Péterfalvi Csaba: ELTE, PhD hallgató Rakyta Péter: ELTE, V. éves fizikus hallgató Hagymási Imre: ELTE, IV. éves fizikus hallgató Oroszlány László: Lancaster University, PhD hallgató Kormányos Andor: Lancaster University, post. doc. Colin Lambert: Lancaster University, Lancaster Carlo Beenakker: Leiden University, Leiden Edward McCann: Lancaster University, Lancaster Vladimir Fal ko: Lancaster University, Lancaster Az előadásról cikk jelent meg a Természet Világa 2009. januári számában