PRL: Физики объяснили, как работает дробный заряд в пентаслойном графене

К разгадке, почему электроны могут разделяться на части, приблизились физики из Массачусетского технологического института. Они выяснили, при каких условиях в графене и других двумерных системах появляются необычные состояния электронов.

Ученые попытались разобраться в открытии, которое сделали их коллеги из этого же института ранее в этом году. Доцент Лонг Джу и его команда обнаружили, что электроны обладают «дробным зарядом» в пентаслойном графене — это когда пять слоев графена уложены поверх листа нитрида бора со схожей структурой.

Джу обнаружил, что если пропустить электрический ток через особую структуру, то электроны как будто теряют часть своего заряда, проходя через нее. Это происходит даже без магнитного поля.

Ученые уже знали, что под действием очень сильного магнитного поля электроны могут разделяться на части. Это называется дробным квантовым эффектом Холла. Но в работе Джу впервые было обнаружено, что этот эффект возможен в графене без магнитного поля, хотя раньше считалось, что это невозможно.

Это явление назвали «дробным квантовым аномальным эффектом Холла». Теперь ученые пытаются понять, почему в пятислойном графене появляется дробный заряд.

Профессор физики из Массачусетского технологического института Сентхил Тодадри провел новое исследование. Он вместе с коллегами выяснил, что электроны образуют кристаллическую структуру. Благодаря своим свойствам она может создавать дробные электроны.

Это совершенно новый механизм. Раньше люди не сталкивались с системой, в которой возникали бы подобные явления с дробными электронами. Это захватывающе, потому что теперь можно проводить новые эксперименты, о которых раньше мы могли только мечтать, — говорит Тодадри.

В команду Массачусетского технологического института входят доктор философии Жихуан Донг и бывший научный сотрудник Адарш Патри.

Дробные явления

В 2018 году профессор физики Пабло Харилло-Эрреро и его коллеги из Массачусетского технологического института обнаружили, что при скручивании двух листов графена под определенным углом друг к другу могут появиться новые электронные свойства.

Графен — это очень тонкий материал, состоящий из атомов углерода, которые расположены в виде решетки, похожей на пчелиные соты. Когда два таких листа складываются под нужным углом, они начинают взаимодействовать особым образом. Это взаимодействие вызывает необычные явления, например, материал может стать сверхпроводником или изолятором.

Этот новый материал назвали «графен с магическим углом». Он положил начало новой области науки, которая называется твистроника. Твистроника изучает электронное поведение скрученных двумерных материалов.

Тодадри и его коллега Харилло-Эрреро провели исследование и выяснили, что скрученные системы могут обладать дробным зарядом без магнитного поля. Они предложили использовать их для поиска подобных явлений.

В сентябре 2023 года Тодадри поговорил по видеосвязи с Джу. Тот был знаком с работами Тодадри и поддерживал с ним связь благодаря собственным экспериментам.

Он позвонил мне в субботу и показал данные, которые он получил, исследуя пентаслойный графен. Он увидел там эти доли [электронов]. И это было большим сюрпризом, потому что все оказалось не так, как мы думали, — вспоминает Тодадри.

В своей работе 2018 года Тодадри предсказал, что дробный заряд должен возникать из фазы-предшественницы, характеризующейся особым поворотом волновой функции электрона.

Ученый предположил, что у электрона есть особые свойства, которые можно представить как определенную степень закрученности. Этими свойствами можно управлять без изменения структуры электрона. По мнению ученого, эта закрученность должна увеличиваться с добавлением новых слоев графена в структуру.

Мы думали, что для графена из пяти слоев волновая функция будет закручиваться пять раз. Это было бы признаком появления новых частиц — фракций электронов, — говорит Тодадри.

Но после экспериментов он обнаружил, что волновая функция делает только один круг. Тогда возник вопрос: «Как мы должны понимать то, что видим?»

Необычный кристалл

В своем новом исследовании Тодадри вернулся к вопросу о том, как фракции электронов могут возникать из пентаслойного графена, если не по тому пути, который он изначально предсказал. Физики проанализировали свою первоначальную гипотезу и поняли, что, возможно, упустили ключевой ингредиент.

Стандартная стратегия в этой области при выяснении того, что происходит в любой электронной системе, заключается в том, чтобы рассматривать электроны как независимых актеров и, исходя из этого, выяснять их топологию, или извилистость, — объясняет Тодадри.

Но из экспериментов Лонга мы поняли, что это приближение должно быть неверным.

В то время как в большинстве материалов электроны имеют достаточно места, чтобы отталкиваться друг от друга и дребезжать как независимые агенты, в двумерных структурах, таких как пентаслойный графен, частицы гораздо более ограничены.

В таких тесных помещениях команда поняла, что электроны также должны быть вынуждены взаимодействовать, ведя себя в соответствии с их квантовыми корреляциями в дополнение к естественному отталкиванию. Когда физики добавили в свою теорию межэлектронные взаимодействия, они обнаружили, что она правильно предсказывает извилистость, которую Джу наблюдал для пентаслойного графена.

Получив теоретическое предсказание, совпадающее с наблюдениями, команда смогла на основе этого предсказания определить механизм, с помощью которого в пентаслойном графене возникает дробный заряд.

Они обнаружили, что муаровое расположение пентаслойного графена, в котором каждый решетчатый слой атомов углерода располагается друг над другом и над нитридом бора, вызывает слабый электрический потенциал. Когда электроны проходят через этот потенциал, они образуют своего рода кристалл, или периодическое образование, которое ограничивает электроны и заставляет их взаимодействовать через их квантовые корреляции.

Это перетягивание каната создает своего рода облако возможных физических состояний для каждого электрона, которое взаимодействует с каждым другим электронным облаком в кристалле, образуя волновую функцию, или схему квантовых корреляций, которая создает обмотку, которая должна положить начало расщеплению электронов на части самих себя.

Этот кристалл обладает целым набором необычных свойств, которые отличаются от обычных кристаллов, и приводит к множеству увлекательных вопросов для будущих исследований, — говорит Тодадри.

В краткосрочной перспективе этот механизм обеспечивает теоретическую основу для понимания наблюдений долей электронов в пентаслойном графене и для предсказания других систем с похожей физикой.

Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Подобные исследования также опубликовали другие научные группы из Университета Джона Хопкинса и нескольких университетов: Гарварда, Калифорнии (Беркли).

19.11.2024