Uhlíkový zázrak

Graphen má strukturu rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků, podobně jako je tomu u pláství medu. Tvoří základ všech ostatních uhlíkových struktur. Grafit si můžeme představit jako mnoho graphenových vrstev na sobě, uhlíkové nanotrubičky jako srolovaný graphen a fulleren jako graphen zmačkaný do kuličky o rozměrech nanometrů.

Všechny tyto formy uhlíku byly izolovány dlouho před graphenem, ale jejich elektrické, magnetické i mechanické vlastnosti vycházejí z graphenu. Možnost měnit rychlost elektronů v graphenu otevírá cestu k ultrarychlým elektronickým součástkám o rozměrech pouhých atomů. To je hlavní důvod obrovského zájmu o graphen jako materiál pro technologie blízké budoucnosti.

"Nehmotné" elektrony

V graphenu je chování elektronů zcela zvláštní. Zvláštní interakce mezi elektrony a plástvovitou mřížkou způsobují, že se elektrony chovají, jako by neměly žádnou hmotnost. Částici, které se takto chovají, jako by neměly hmotnost, již známe. Jsou to neutrina. Neutrina ale nenesou elektrický náboj, a proto nevykazují silnou interakci se žádným druhem hmoty. Naproti tomu elektrony v graphenu nesou jednotkový elektrický náboj a mohou být ovládány elektrickým polem. Protože manipulace s elektrony uvnitř materiálu je srdcem moderní elektroniky, mohou nám unikátní vlastnosti elektronů v graphenu pomoci překonat omezení, která např. limitují polovodičové technologie založené na křemíku.

Hallův jev v graphenu

Hallův jev spočívá v odchylování toku volných elektronů v materiálu přiloženým příčným magnetickým polem. Vzniká pravoúhlý skok potenciálu, přičemž poměr velikosti potenciálového skoku a protékajícího proudu, takzvaný Hallův odpor, je úměrný velikosti přiloženého magnetického pole. Pro dvojrozměrný elektronový plyn při teplotě blízké absolutní nule je tato veličina kvantována, to znamená, že může nabývat pouze diskrétních hodnot. A právě tento jev výrazně odlišuje graphen od normálních kovových materiálů. V graphenu může mít kvantový Hallův odpor velikost pouze lichých celých čísel.

Zatímco tato anomálie představuje v oblasti teorie pouhou kuriozitu, jiné vlastnosti graphenu s tím související mohou mít významný praktický dopad. V normálním kovu rozptyluje jakákoliv krystalografická porucha nebo příměs elektrony, a tak způsobuje energetické ztráty. V graphenu je ale elektrický odpor na jejich množství zcela nezávislý. Znamená to, že elektrony se mohou pohybovat na vzdálenost mnoha tisícin milimetru, aniž by se přitom srazily s nějakou poruchou, a to právě dělá z graphenu ten zázračný materiál, vhodný pro vysokorychlostní elektronické spínací prvky, kterým se zatím říká balistické tranzistory.

Graphen a základy fyziky

Graphen není jen slibným materiálem pro budoucí pokročilé technologie, může sloužit i jako názorná učební pomůcka pro zkoumání a ověřování základních interakcí hmoty. Umožňuje vidět relativistické efekty, které nebyly nikdy dříve pozorovány. Rychlost šíření elektronů v graphenu v porovnání s rychlostí šíření světla nabízí nový pohled na velikost některých základních fyzikálních konstant. Ukazuje se například, že elektron není tak elementární částice, jak si většina lidí myslí. Jde spíše o posloupnost interakcí s daleko komplikovanějšími stupni volnosti, které nejsou v současné době zatím experimentálně dostupné.

Je ještě mnoho problémů fundamentální fyziky, které graphen pomáhá objasňovat, na ně ale není v rámci tohoto článku prostor. Jedna ale přece jen ještě stojí za zmínku. Jde o hádanku zvanou "rozbití chirální symetrie". Chiralita částice udává, zda se liší od svého vlastního zrcadlového obrazu - jako třeba pravotočivá a levotočivá spirála. V graphenu existují pravotočivé a levotočivé částice, které se chovají naprosto stejně. To je ale v ostrém kontrastu s jinými částicemi, například s neutriny. Zjištění, zda je možné rozbít chirální symetrii částic v graphenu, může pomoci pochopit, jak se rozbíjí stejná symetrie v částicové fyzice.

Co nám graphen slibuje

Řadu let se věřilo, že uhlíkové nanotrubice způsobí revoluci v nanotechnologiích. Zatím se bohužel tento předpoklad nenaplnil. Důvody jsou různé, například potíže při přípravě nanotrubic definovaných rozměrů nebo vysoký kontaktní odpor na spojích s dalšími obvody. Fyzici jsou spolu s technology přesvědčeni, že s graphenem dokáží tyto překážky překonat. Použitím elektronové litografie je možno potřebné obrazce z graphenu "nakreslit" přímo do obvodů a jejich elektrické vlastnosti je možno řídit vnějším elektrickým polem. Narozdíl od prakticky jednorozměrných nanotrubic je graphen kontinuální medium a ohřívání v blízkosti kontaktů je minimální. A již dříve zmíněná vysoká rychlost elektronů a nízký odpor materiálu skýtá mnoho dalších, zatím neprozkoumaných možností.

Výzkum technologických prvků založených na graphenu je teprve na začátku. Nový vědní obor výzkumu teoretických i aplikačních aspektů graphenu výtečně ilustruje poznámka jednoho nositele Nobelovy ceny: "Nejdůležitější věci jsou často přehlíženy kvůli své jednoduchosti."