W dwuwarstwowym grafenie obróconym pod „magicznym” kątem stwierdzono rzadką liniową zależność oporu elektrycznego od temperatury w pobliżu zera absolutnego. Ta cecha sprawia, że grafen dwuwarstwowy jest powiązany z niezwykłą klasą substancji zwanych metalami dziwnymi. Obejmuje na przykład miedziany, w tym rekordy temperatury nadprzewodnictwa przy normalnym ciśnieniu, a także ruteniany, piktydy i inne materiały. Odkrycie potwierdza obecność nowego fundamentalnego mechanizmu wymiany ładunku i ciepła w takich związkach - piszą autorzy w czasopiśmie Physical Review Letters.
Grafen to dwuwymiarowa alotropowa modyfikacja węgla, składająca się z atomów ułożonych w sześciokąty, połączonych w arkusze o grubości atomowej. Grafen ma wiele niezwykłych właściwości, które są potencjalnie przydatne w nauce i technologii. Jednak naukowcy nadal odkrywają nowe niezwykłe cechy tego materiału.
Jednym z ważnych odkryć ostatnich dwóch lat było odkrycie nadprzewodnictwa w grafenie dwuwarstwowym. Obracanie arkuszy pod niewielkim kątem tworzy okresową sześciokątną super-siatkę mory o znacznie dłuższym okresie niż sam grafen. Jeśli kąt przyjmuje jedną z „magicznych” wartości, z których najmniejsza jest bliska 1,1 stopnia, to w niskich temperaturach substancja przechodzi w stan nadprzewodzący. Szczegółowe badania wykazały, że taki grafen pod pewnymi właściwościami, w szczególności diagramem fazowym, jest podobny do miedzianów - związków, przy których odkryciu pojawiło się określenie nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe.
Pablo Jarillo-Herrero z Massachusetts Institute of Technology i jego koledzy ze Stanów Zjednoczonych i Japonii odkryli kolejną cechę, która sprawia, że dwuwarstwowy grafen obraca się pod „magicznym” kątem podobnym do miedzianów: obecność dziwnej metalowej fazy z liniową zależnością oporu od temperatury w pobliżu zero absolutne. Takiej prawidłowości nie obserwuje się dla zwykłych metali, w których z reguły po fazie nadprzewodnictwa następuje gwałtowny wzrost rezystancji. Co więcej, w tej chwili nie ma pełnego teoretycznego wyjaśnienia tego zjawiska.
Transport elektronów w metalach przez długi czas był z powodzeniem opisywany przez sformułowaną w 1900 roku teorię Drude, która wiąże przewodnictwo z gęstością elektronów traktowanych jako gaz, ich masą i średnim czasem τ pomiędzy rozpraszaniem przez jony. Dzięki poprawkom kwantowym, które zastąpiły masę cząstek rzeczywistych efektywną masą nośników ładunku i powiązały czas między rozpraszaniem w niskich temperaturach przez proporcjonalność τ ∼ T-2, model ten z powodzeniem opisał większość danych eksperymentalnych do lat 80.
Odkrycie miedzianów w 1986 roku wykazało ograniczenia teorii, które nie mogły wyjaśnić zaobserwowanej fazy dziwnego metalu o liniowej zależności rezystancji od temperatury. To zachowanie sugeruje, że czas między rozproszeniami jest odwrotnie proporcjonalny do pierwszej potęgi temperatury, a nie do kwadratu, jak w modelu Drude. Odkrycie dziwnej fazy metalicznej w dwuwarstwowym grafenie dodatkowo wskazuje na potrzebę opracowania nowego teoretycznego podejścia do zjawisk transportu i mówi o możliwości zaistnienia takiej fazy w wielu różnych układach.
Jeśli obliczymy czas między rozproszeniami w dziwnych metalach za pomocą wzoru Drude (który jest słabo uzasadniony z teoretycznego punktu widzenia), otrzymamy wyrażenie τ = Cℏ ∕ kT, gdzie ℏ to stała Plancka, T to temperatura, k to stała Boltzmanna, a C to współczynnik liczbowy proporcjonalność. Uważa się, że szybkość rozpraszania powinna być związana z siłą oddziaływań elektron-elektron (które są całkowicie ignorowane w oryginalnym modelu Drude) i różnią się one znacznie w różnych dziwnych metalach.
Jednak obserwacje pokazują, że współczynnik C jest bliski jedności dla wielu różnych metali dziwnych, a także, jak się okazuje, dla grafenu dwuwarstwowego: w nowej pracy zmierzone wartości C spadły w przedziale od 1,1 do 1,6. Ta uniwersalność prowadzi teoretyków do przekonania, że istnieje nowy fundamentalny mechanizm zjawisk transportu w dziwnych metalach. Naukowcy wiążą tę sytuację z dyssypacją Plancka, czyli stanem splątania kwantowego wielu elektronów, w którym osiągane jest maksymalne tempo rozpraszania energii, na które pozwalają prawa fizyki.
Film promocyjny:
Grafen dwuwarstwowy może okazać się wygodnym systemem do dalszych eksperymentów w tej dziedzinie. Jego główną zaletą jest możliwość kontrolowania współczynnika wypełnienia supersieci, czyli w rzeczywistości gęstości nośników ładunku, poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego, podczas gdy inne dziwne metale muszą być wytwarzane od nowa z innymi zanieczyszczeniami.
Timur Keshelava
