Неожиданные квантовые эффекты в природном двухслойном графене
Международная исследовательская группа под руководством Геттингенского университета обнаружила новые квантовые эффекты в высокоточных исследованиях природного двухслойного графена и интерпретировала их вместе с Техасским университетом в Далласе, используя свою теоретическую работу. Это исследование дает новое представление о взаимодействии носителей заряда и различных фаз и способствует пониманию вовлеченных процессов. В исследованиях также участвовали LMU в Мюнхене и Национальный институт материаловедения в Цукубе, Япония. Результаты были опубликованы в Nature.
Графен на куске скотча. Авторы и права: Кристоф Хохманн (кластер MCQST)
Новый материал графен, тонкий слой атомов углерода, был впервые обнаружен британской исследовательской группой в 2004 году. Среди других необычных свойств графен известен своей необычайно высокой электропроводностью. Если два отдельных слоя графена скручены под очень определенным углом друг к другу, система даже становится сверхпроводящей (т. е. проводит электричество без какого-либо сопротивления) и проявляет другие захватывающие квантовые эффекты, такие как магнетизм. Однако производство таких скрученных двойных слоев графена до сих пор требовало повышенных технических усилий.
В этом новом исследовании использовалась природная форма двухслойного графена, не требующая сложного изготовления. На первом этапе образец изолируется от куска графита в лаборатории с помощью простой клейкой ленты. Затем для наблюдения квантово-механических эффектов команда Геттингена приложила сильное электрическое поле, перпендикулярное образцу: электронная структура системы меняется и происходит сильное накопление носителей заряда с похожей энергией.
При температуре чуть выше абсолютного нуля минус 273,15 градуса Цельсия электроны в графене могут взаимодействовать друг с другом — и совершенно неожиданно возникают разнообразные сложные квантовые фазы. Например, взаимодействия заставляют спины электронов выравниваться, делая материал магнитным без какого-либо дополнительного внешнего воздействия. Изменяя электрическое поле, исследователи могут непрерывно изменять силу взаимодействия носителей заряда в двухслойном графене. При определенных условиях свобода движения электронов может быть настолько ограничена, что они образуют собственную электронную решетку и уже не могут способствовать переносу заряда из-за взаимного отталкивания. После этого система становится электроизолирующей.
«Будущие исследования теперь могут быть сосредоточены на изучении новых квантовых состояний», — говорит профессор Томас Вейц и доктор философии, студентка Анна Зайлер, физический факультет Геттингенского университета. «Чтобы получить доступ к другим приложениям, например, к новым компьютерным системам, таким как квантовые компьютеры, исследователям нужно будет выяснить, как эти результаты могут быть достигнуты при более высоких температурах. Однако главное преимущество нынешней системы, разработанной в нашем новом исследовании, заключается в простоте изготовления материалов».
