Международная исследовательская группа, возглавляемая Геттингенским университетом, обнаружила новые квантовые эффекты при высокоточных исследованиях природного двухслойного графена и интерпретировала их совместно с Техасским университетом в Далласе, используя их теоретическую работу. Это исследование дает новое представление о взаимодействии носителей заряда и различных фаз и способствует пониманию связанных с этим процессов. В исследовании также участвовали LMU в Мюнхене и Национальный институт материаловедения в Цукубе, Япония. Результаты были опубликованы в Природа.
Новый материал графен, представляющий собой тонкий, как пластина, 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, то есть 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 встречающаяся в природе форма двухслойного графена, где не требуется сложного изготовления. На первом этапе образец изолируется от куска графита в лаборатории с помощью простой клейкой ленты. Чтобы наблюдать квантово-механические эффекты, геттингенская команда затем применила сильное электрическое поле, перпендикулярное образцу: электронная структура системы изменяется, и происходит сильное накопление носителей заряда с аналогичной энергией.
При температурах чуть выше абсолютного нуля - минус 273,15 градуса Цельсия - электроны в графене могут взаимодействовать друг с другом - и совершенно неожиданно возникает множество сложных квантовых фаз. Например, взаимодействия приводят к выравниванию спинов электронов, что делает материал магнитным без какого-либо дальнейшего внешнего воздействия. Изменяя электрическое поле, исследователи могут непрерывно изменять силу взаимодействий носителей заряда в двухслойном графене. При определенных условиях свобода движения электронов может быть настолько ограничена, что они образуют свою собственную электронную решетку и больше не могут вносить свой вклад в перенос заряда из-за их взаимного отталкивающего взаимодействия. Затем система подвергается электрической изоляции.
"Будущие исследования теперь могут быть сосредоточены на изучении дальнейших квантовых состояний", - говорят профессор Томас Вайц и аспирантка Анна Зайлер с физического факультета Геттингенского университета. "Чтобы получить доступ к другим приложениям, например, к новым компьютерным системам, таким как квантовые компьютеры, исследователям необходимо будет выяснить, как эти результаты могут быть достигнуты при более высоких температурах. Однако главное преимущество нынешней системы, разработанной в рамках нашего нового исследования, заключается в простоте изготовления материалов".
Комментарии