Vědci objevili nové kvazičástice v grafenu

Vědci objevili nové kvazičástice v grafenu

Fyzika / článek

Fyzici z University of Manchester identifikovali novou skupinu kvazičástic v supermřížkách vytvořených z grafenu a vrstev nitridu bóru. Jde o tzv. Brown-Zakovy fermiony. Jejich objev by mohl vést k vývoji dokonalejších tranzistorů schopných pracovat při daleko vyšších frekvencích než doposud.

Hofstadterův motýl (zdroj: Wikipedia, CC BY-SA 3.0)
Hofstadterův motýl (zdroj: Wikipedia, CC BY-SA 3.0)

Studie navazuje na dřívější výzkumy, ve kterých se vědci pokoušeli využít slabých vazeb mezi atomárně tenkými vrstvami různých materiálů k vytvoření nových látek, v nichž je možné měnit vlastnosti elektronů bez použití chemického dotování. Nejznámějším příkladem je uzavření grafenu (vrstva uhlíku tenká pouhý jeden atom) mezi vrstvy jiného 2D materiálu - hexagonálního nitridu bóru (hBN). Protože oba materiály mají podobnou mřížkovou konstantu, při vzájemném překrytí vzniká tzv. supermřížka (neboli obrazce „moaré“).

Když se vyrovnané vrstvy zkroutí a úhel mezi mřížkami obou materiálů zmenší, velikost supermřížky poroste. V důsledku zformování dodatečného Blochova pásu se v takzvané Brillouinově zóně (matematický koncept popisující základní myšlenky elektronové pásové struktury) vytvoří elektronová pásová struktura. V těchto Blochových pásech se elektrony pohybují v periodickém elektrickém poli, které odpovídá mřížce, a vzájemně neinteragují.

V roce 2013 se britskému týmu společně s americkými kolegy podařilo v těchto grafen-hBN supermřížkách pozorovat nezvyklé fraktální obrazce, které dostaly název Hofstadterův motýl (Robert Hofstadter je americký fyzik a nositel Nobelovy ceny za studium struktury nukleonů pomocí rozptylu elektronů na atomových jádrech). Obrazce se objevily, když fyzici sledovali energetická spektra supermřížek a měřili jejich elektrickou vodivost v silném magnetickém poli až do hodnoty 17 Tesla.

Britský tým nyní přišel s novou zprávou o dalším překvapivém chování elektronů ve strukturách v silném magnetickém poli. Je známo, že v nulovém magnetickém poli se elektrony pohybují po rovných trajektoriích. Pokud se však aplikuje magnetické pole, trajektorie se začínají zakřivovat, až se elektrony nakonec začnou pohybovat po kruhových drahách, přičemž klesá vodivost. V grafenových vrstvách v kombinaci s hBN elektrony rovněž začínají zatáčet, pokud však má přiložené magnetické pole určitou hodnotu, vodivost prudce stoupne. Je to, jako by se elektrony pohybovaly opět po přímých drahách stejně jako v kovu bez aplikovaného magnetického pole.

Takové chování se naprosto vymyká „učebnicové fyzice“. Vědci jej vysvětlují vytvořením nových kvazičástic reprezentujících nový druh kovového stavu. Jde o takzvané Brown-Zakovy fermiony. Ty se podle fyziků pohybují strukturou výjimečně rychle navzdory extrémně vysokému magnetickému poli. Na rozdíl od elektronů, které se v přítomnosti magnetického pole pohybují po kruhových kvantových drahách, Brown-Zakovy fermiony se mohou pohybovat po rovné dráze dlouhé desítky mikrometrů v magnetickém poli až do hodnoty 16 Tesla.

Nový objev by mohl významně přispět k vývoji nových elektronických součástek. Grafen, který použili britští vědci, byl velmi čistý, což umožňuje nosičům náboje dosahovat pohyblivostí několik milionů cm2/Vs. Tyto hodnoty umožňují, aby se nosiče náboje mohly pohybovat celým prvkem po rovné dráze bez rozptylu.

Takové nosiče jsou velmi vyhledávané při výrobě 2D materiálů, protože by umožnily zkonstruovat superrychlé tranzistory. Procesory složené z takových prvků by byly schopny provést větší počet operací ve stejně dlouhém čase, což by vedlo k daleko rychlejším počítačům, než jsou ty současné.

Pozorované Brown-Zakovy fermiony by se podle vědců mohly vyskytovat obecně ve všech supermřížkových systémech, ne jen v grafenu. Jejich výzkum je proto důležitý nejen z hlediska základního pochopení elektronového transportu, ale také pro výzkum nových prvků založených na 2D materiálech jiných než grafen.

Studie vyšla v Nature Communications.


Mohlo by vás také zajímat:

Elektronická kůže cítí tlak, teplotu i bolest
Ozonová díra je největší za posledních několik let
Nobelova cena za fyziku 2020