I tvåskiktsgrafen roterad genom en "magisk" vinkel, hittades ett sällsynt linjärt beroende av det elektriska motståndet på temperaturen nära absolut noll. Denna funktion gör dubbelskiktsgrafen relaterade till en ovanlig klass av ämnen som kallas konstiga metaller. Det inkluderar till exempel cuprates, inklusive skivhållare för superledande temperatur vid normalt tryck, liksom rutenater, pnictider och vissa andra material. Upptäckten bekräftar förekomsten av en ny grundläggande mekanism för laddning och värmeöverföring i sådana föreningar, skriver författarna i tidskriften Physical Review Letters.
Grafen är en tvådimensionell allotropisk modifiering av kol, bestående av atomer arrangerade i form av hexagoner, förenade i ark med atomtjocklek. Grafen har många ovanliga egenskaper som är potentiellt användbara inom vetenskap och teknik. Men forskare fortsätter att upptäcka nya ovanliga egenskaper hos detta material.
En av de viktigaste upptäckterna under de senaste två åren har varit upptäckten av supraledningsförmåga i tvåskiktsgrafen. Om du roterar lakorna med en liten vinkel skapas ett periodiskt moiré-hexagonalt supergitter med en mycket längre period än själva grafen. Om vinkeln tar ett av de "magiska" värdena, varav den minsta är nära 1,1 grader, kommer ämnet vid låga temperaturer i ett superledande tillstånd. Detaljerade studier har visat att sådan grafen i vissa egenskaper, i synnerhet fasdiagrammet, liknar cuprates - föreningar, med upptäckten av vilken termen högtemperatur superledande verkade.
Pablo Jarillo-Herrero från Massachusetts Institute of Technology och hans kollegor från USA och Japan upptäckte en annan funktion som gör att dubbelskiktsgrafen roteras i en "magisk" vinkel som liknar cuprates: närvaron av en konstig metallfas med ett linjärt beroende av motstånd på temperatur nära absolut noll. En sådan regelbundenhet observeras inte för vanliga metaller, i vilka regel en kraftig ökning av motståndet inträffar efter den superledande fasen. Dessutom finns det för närvarande ingen fullständig teoretisk förklaring till detta fenomen.
Under en lång tid beskrevs elektrontransport i metaller framgångsrikt av Drude-teorin, som formulerades 1900, som relaterar konduktiviteten till densiteten hos elektroner som betraktas som en gas, deras massa och den genomsnittliga tiden t mellan spridning av joner. Med kvantkorrigeringar som ersatte massan av verkliga partiklar med den effektiva massan av laddningsbärare och kopplade tiden mellan spridning vid låga temperaturer med en proportionalitet τ T-2, beskrev denna modell framgångsrikt de flesta experimentdata fram till 1980-talet.
Upptäckten av cuprates 1986 visade teoriens begränsningar, som inte kunde förklara den observerade fasen av en konstig metall med ett linjärt beroende av motstånd på temperatur. Detta beteende antyder att tiden mellan spridningar är omvänt proportionell mot temperaturens första effekt och inte till torget, som i Drude-modellen. Upptäckten av en konstig metallfas i tvåskiktsgrafen indikerar dessutom behovet av att utveckla en ny teoretisk metod för transportfenomen och talar om möjligheten att en sådan fas finns i många olika system.
Om vi beräknar tiden mellan spridning i konstiga metaller med hjälp av Drude-formeln (som är dåligt underbyggd ur en teoretisk synvinkel), får vi uttrycket τ = Cℏ ∕ kT, där ℏ är Plancks konstant, T är temperatur, k är Boltzmanns konstant och C är en numerisk koefficient proportionalitet. Det antas att spridningshastigheten måste vara relaterad till styrkan hos elektron-elektroninteraktionerna (som ignoreras fullständigt i den ursprungliga Drude-modellen), och de är mycket olika i olika konstiga metaller.
Observationer visar emellertid att C-koefficienten är nära enhet för en mängd olika konstiga metaller och, som det visar sig, även för tvåskiktsgrafen: i det nya arbetet föll de uppmätta C-värdena inom området 1,1 till 1,6. Denna universalitet får teoretiker att tro att det finns en ny grundläggande mekanism för transportfenomen i konstiga metaller. Forskare förknippar denna situation med Planckian-spridning, det vill säga ett tillstånd av kvantförvirring av många elektroner, där den maximala hastigheten för energispridning som tillåts enligt fysiklagarna uppnås.
Kampanjvideo:
Tvåskiktsgrafen kan visa sig vara ett bekvämt system för fortsatta experiment inom detta fält. Dess huvudsakliga fördel ligger i förmågan att styra fyllfaktorn för supergitteret, det vill säga tätheten för laddningsbärare, genom att applicera en elektrisk spänning, medan andra konstiga metaller måste tillverkas på nytt med andra föroreningar.
Timur Keshelava
