U dvoslojnom grafenu rotiranom kroz "čarobni" kut pronađena je rijetka linearna ovisnost električnog otpora o temperaturi blizu apsolutne nule. Ovo svojstvo čini dvoslojni grafen povezan s neobičnom klasom tvari koje se nazivaju čudnim metalima. To uključuje, na primjer, kuprate, uključujući držače rekorda za temperaturu supravodljivosti pri normalnom tlaku, kao i rutenate, pniktide i neke druge materijale. Otkriće potvrđuje prisutnost novog temeljnog mehanizma naboja i prijenosa topline u takvim spojevima, pišu autori u časopisu Physical Review Letters.
Grafen je dvodimenzionalna alotropna modifikacija ugljika, koja se sastoji od atoma raspoređenih u obliku šesterokuta, sjedinjenih u listovima atomske debljine. Graphene ima mnoga neobična svojstva koja su potencijalno korisna u znanosti i tehnologiji. Međutim, znanstvenici i dalje otkrivaju nove neobične karakteristike ovog materijala.
Jedno od važnih otkrića u posljednje dvije godine bilo je otkriće supravodljivosti u dvoslojnom grafenu. Zakretanje listova pod malim kutom stvara periodičnu šesterokutnu višeslojnu rešetku s moirima mnogo duži period od samog grafena. Ako kut uzme jednu od "čarobnih" vrijednosti, čija je najmanja vrijednost blizu 1,1 stupnja, tvar pri niskim temperaturama prelazi u supravodobno stanje. Detaljne studije pokazale su da je takav grafen u nekim svojstvima, posebice faznom dijagramu, sličan kupratima - spojevima kojima je otkriven pojam visokotemperaturna superprovodljivost.
Pablo Jarillo-Herrero s Massachusetts Institute of Technology i njegovi kolege iz Sjedinjenih Država i Japana otkrili su još jedno svojstvo zbog kojeg se dvoslojni grafen rotira pod "čarobnim" kutom sličan kupretima: prisutnost čudne metalne faze s linearnom ovisnošću otpora o temperaturi u blizini apsolutna nula. Takva se pravilnost ne opaža za obične metale, u kojima se u pravilu dolazi do oštrog porasta otpora nakon faze supravodnjeg provođenja. Štoviše, u ovom trenutku ne postoji potpuno teorijsko objašnjenje ovog fenomena.
Dugo vremena je transport elektrona u metalima uspješno opisivana Drudeova teorija, formulirana 1900., koja povezuje vodljivost s gustoćom elektrona koji se smatraju plinom, njihovom masom i prosječnim vremenom τ između rasipanja po ionima. S kvantnim korekcijama koje su zamijenile masu stvarnih čestica efektivnom masom nosača naboja i povezale vrijeme između raspršivanja pri niskim temperaturama proporcionalnošću τ ∼ T-2, ovaj je model uspješno opisao većinu eksperimentalnih podataka sve do 1980-ih.
Otkriće kuprata 1986. godine pokazalo je ograničenja teorije koja nije mogla objasniti promatranu fazu čudnog metala s linearnom ovisnošću otpora o temperaturi. Ovo ponašanje sugerira da je vrijeme između raspršenja obrnuto proporcionalno prvoj snazi temperature, a ne kvadratu, kao u Drudeovom modelu. Otkrivanje čudne metalne faze u dvoslojnom grafenu dodatno ukazuje na potrebu razvoja novog teorijskog pristupa transportnim pojavama i govori o mogućnosti takve faze koja postoji u mnogim različitim sustavima.
Ako izračunamo vrijeme između rasipanja u čudnim metalima pomoću Drudeove formule (koja je s teorijskog stajališta slabo utemeljena), tada ćemo dobiti izraz τ = Cℏ ∕ kT, gdje je ℏ Planckova konstanta, T je temperatura, k je Boltzmannova konstanta, a C numerički koeficijent proporcionalnost. Vjeruje se da brzina raspršenja mora biti povezana s jačinom interakcije elektron-elektron (koji su u potpunosti zanemareni u originalnom Drudeovom modelu), a oni se u različitim čudnim metalima vrlo razlikuju.
Međutim, opažanja pokazuju da je koeficijent C blizu jedinstva za široku paletu čudnih metala, a kako se ispostavilo, i za dvoslojni grafen: u novom su radu izmjerene vrijednosti C pale u rasponu od 1,1 do 1,6. Ova univerzalnost navodi teoretičare da vjeruju da postoji novi temeljni mehanizam za transportne pojave u čudnim metalima. Znanstvenici ovu situaciju povezuju s Planckijevom disipacijom, tj. Stanjem kvantnog upletanja mnogih elektrona u kojem se postiže maksimalna brzina rasipanja energije dopuštena zakonima fizike.
Promotivni video:
Dvoslojni grafen može se pokazati prikladnim sustavom za nastavak eksperimenata u ovom polju. Njegova glavna prednost sastoji se u mogućnosti kontroliranja faktora punjenja super rešetke, to jest gustoće nosača naboja primjenom električnog napona, dok se ostali čudni metali moraju proizvesti iznova s drugim nečistoćama.
Timur Kešelava
