В двуслоен графен, завъртян през „магически“ъгъл, беше открита рядка линейна зависимост на електрическото съпротивление от температура, близка до абсолютна нула. Тази функция прави двуслойния графен, свързан с необичаен клас вещества, наречени странни метали. Той включва, например, купрати, включително рекордери за температура на свръхпроводимост при нормално налягане, както и рутенати, pnictides и някои други материали. Откритието потвърждава наличието на нов основен механизъм на заряд и пренос на топлина в такива съединения, пишат авторите в списанието Physical Review Letters.
Графенът е двумерна алотропна модификация на въглерода, състояща се от атоми, подредени под формата на шестоъгълници, обединени в листове с атомна дебелина. Графенът има много необичайни свойства, които са потенциално полезни в науката и технологиите. Учените обаче продължават да откриват нови необичайни характеристики на този материал.
Едно от важните открития през последните две години е откриването на свръхпроводимост в двуслоен графен. Въртенето на листовете под малък ъгъл създава периодична шестоъгълна суперрешетка от муар с много по-дълъг период от тази на самия графен. Ако ъгълът приеме една от "вълшебните" стойности, най-малката от които е близка до 1,1 градуса, тогава при ниски температури веществото преминава в свръхпроводящо състояние. Подробни проучвания показват, че такъв графен по някои свойства, по-специално фазовата диаграма, е подобен на купратите - съединения, при откриването на които се появи терминът високотемпературна свръхпроводимост.
Пабло Ярило-Хереро от Масачузетския технологичен институт и неговите колеги от Съединените щати и Япония откриха още една особеност, която кара двуслойния графен да се завърта под „вълшебен“ъгъл, подобен на купратите: наличието на странна метална фаза с линейна зависимост на съпротивлението на температурата в близост абсолютна нула. Такава закономерност не се наблюдава при обикновените метали, при които по правило рязко увеличаване на съпротивлението се получава след свръхпроводяща фаза. Освен това в момента няма пълно теоретично обяснение на това явление.
Дълго време електронният транспорт в метали успешно се описва от теорията на Друде, формулирана през 1900 г., която свързва проводимостта с плътността на електроните, считани за газ, тяхната маса и средното време τ между разсейването по йони. С квантови корекции, които замениха масата на реални частици с ефективната маса на носителите на заряда и свързваха времето между разсейването при ниски температури с пропорционалност τ ∼ T-2, този модел успешно описва повечето експериментални данни до 1980-те години.
Откриването на купратите през 1986 г. демонстрира ограниченията на теорията, която не може да обясни наблюдаваната фаза на странен метал с линейна зависимост на съпротивлението от температурата. Това поведение подсказва, че времето между разсейванията е обратно пропорционално на първата сила на температурата, а не на квадрата, както е в модела на Друде. Откриването на странната метална фаза в двуслоен графен допълнително показва необходимостта от разработване на нов теоретичен подход към транспортните явления и говори за възможността за такава фаза в много различни системи.
Ако изчислим времето между разсейването в странни метали, използвайки формулата на Друде (която е слабо обоснована от теоретична гледна точка), тогава получаваме израза τ = Cℏ ∕ kT, където ℏ е константа на Планк, T е температура, k е константа на Болцман и C е числов коефициент пропорционалност. Смята се, че скоростта на разсейване трябва да е свързана със силата на взаимодействието електрон-електрон (които са напълно игнорирани в оригиналния модел на Друде) и те се различават значително в различни странни метали.
Наблюденията показват обаче, че коефициентът C е близък до единство за голямо разнообразие от странни метали и, както се оказва, и за двуслоен графен: в новата работа измерените стойности на C паднаха в диапазона от 1,1 до 1,6. Тази универсалност кара теоретиците да смятат, че има нов основен механизъм за транспортни явления в странни метали. Учените свързват тази ситуация с разсейването на Планк, т.е. състоянието на квантово заплитане на много електрони, при което се достига максималната скорост на разсейване на енергията, разрешена от законите на физиката.
Промоционално видео:
Двуслойният графен може да се окаже удобна система за продължаване на експериментите в тази област. Основното му предимство се състои в способността да се контролира коефициентът на запълване на свръхрешетката, тоест всъщност плътността на носителите на заряд чрез прилагане на електрическо напрежение, докато други странни метали трябва да се произвеждат отново с други примеси.
Тимур Кешелава
