Физики из Массачусетского технологического института сообщают о неожиданном открытии электронов, образующих кристаллические структуры в материале толщиной всего в миллиардные доли метра. Работа дополняет золотую жилу открытий, происходящих из материала, который та же команда обнаружила всего около трех лет назад.

В статье, опубликованной 22 января в ПриродаКоманда описывает, как электроны в устройствах, частично изготовленных из нового материала, могут стать твердыми или образовать кристаллы, изменяя напряжение, подаваемое на устройства, когда они поддерживаются при температуре, аналогичной температуре космического пространства. В тех же условиях они также продемонстрировали появление двух новых электронных состояний, которые дополняют работу, о которой они сообщали в прошлом году, показывая, что электроны могут расщепляться на части самих себя.

Сделать открытия физикам удалось благодаря новым фильтрам, изготовленным на заказ для лучшей изоляции оборудования, задействованного в работе. Это позволило им охладить свои устройства до температуры на порядок ниже, чем они достигли для более ранних результатов.

Команда также наблюдала все эти явления, используя две немного отличающиеся «версии» нового материала, одна из которых состоит из пяти слоев атомарно тонкого углерода; другой состоит из четырех слоев. Это указывает на то, что «существует семейство материалов, где вы можете получить такое поведение, и это захватывающе», — говорит Лонг Джу, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, который руководил работой. Цзюй также связан с Лабораторией исследований материалов и Исследовательской лабораторией электроники Массачусетского технологического института.

Говоря о новом материале, известном как ромбоэдрический пентаслойный графен, Джу говорит: «Мы нашли золотую жилу, и каждый совок открывает что-то новое».

Новый материал

Ромбоэдрический пентаслойный графен – это, по сути, особая форма грифеля карандаша. Грифельный карандаш, или графит, состоит из графена, одного слоя атомов углерода, расположенных в шестиугольниках, напоминающих сотовую структуру. Ромбоэдрический пентаслойный графен состоит из пяти слоев графена, уложенных в определенном порядке перекрытия.

С тех пор, как Джу и его коллеги обнаружили этот материал, они возились с ним, добавляя слои другого материала, который, по их мнению, мог бы усилить свойства графена или даже вызвать новые явления. Например, в 2023 году создали бутерброд из ромбоэдрического пентаслойного графена с «булочками» из гексагонального нитрида бора. Применяя к сэндвичу различное напряжение или количество электричества, они обнаружили три важных свойства, никогда ранее не наблюдавшихся в природном графите.

В прошлом году Цзюй и его коллеги сообщили об еще одном важном и еще более удивительном явлении: электроны становятся частями самих себя при подаче тока на новое устройство, состоящее из ромбоэдрического пентаслоя графена и гексагонального нитрида бора.

Это важно, потому что этот «дробный квантовый эффект Холла» был замечен только в нескольких системах, обычно при очень высоких магнитных полях. Работа Джу показала, что это явление может происходить в довольно простом материале без магнитного поля. В результате его называют «дробным квантовым аномальным эффектом Холла» (аномальный указывает на то, что магнитное поле не требуется).

Новые результаты

В текущей работе метод Команда Цзюй сообщает об еще более неожиданных явлениях в общей ромбоэдрической системе графен/нитрид бора при ее охлаждении до 30 милликельвинов (1 милликельвин эквивалентен -459,668 градусам по Фаренгейту). В прошлогодней статье Джу и его коллеги сообщили о шести дробных состояниях электронов. В текущей работе они сообщают об открытии еще двух таких дробных состояний.

Они также обнаружили еще одно необычное электронное явление: целочисленный квантовый аномальный эффект Холла в широком диапазоне электронных плотностей. Считалось, что дробный квантовый аномальный эффект Холла возникает в электронной «жидкой» фазе, аналогичной воде. В противоположность этому, новое состояние, которое команда теперь наблюдала, может быть интерпретировано как «твердая» фаза электрона, напоминающая образование электронного «льда», которая также может сосуществовать с дробными квантовыми аномальными состояниями Холла, когда напряжение системы тщательно настраивается на сверхнизкие температуры.

Один из способов осмыслить связь между целочисленным и дробным состояниями — представить себе карту, созданную путем настройки электрических напряжений: настраивая систему с разными напряжениями, вы можете создать «ландшафт», похожий на реку (которая представляет собой жидкие дробные состояния), прорезающую ледники (которые представляют собой эффект твердого целого числа), объясняет Джу.

Цзюй отмечает, что его команда наблюдала все эти явления не только в пентаэдрическом ромбоэдрическом графене, но и в ромбоэдрическом графене, состоящем из четырех слоев. Это создает семейство материалов, и указывает на то, что могут существовать и другие «родственники».

«Эта работа показывает, насколько богат этот материал в демонстрации экзотических явлений. Мы просто добавили больше изюминки в этот и без того очень интересный материал», — говорит Чжэнгуан Лу, соавтор статьи. Лу, который проводил работу в качестве постдока в Массачусетском технологическом институте, в настоящее время работает на факультете в Университете штата Флорида.

Эта статья публикуется с любезного разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярного сайта, освещающего новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.