In zweischichtigem Graphen, das um einen "magischen" Winkel gedreht wurde, wurde eine seltene lineare Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt gefunden. Dieses Merkmal macht zweischichtiges Graphen zu einer ungewöhnlichen Klasse von Substanzen, die als seltsame Metalle bezeichnet werden. Es umfasst zum Beispiel Cuprate, einschließlich der Rekordhalter für die Supraleitungstemperatur bei Normaldruck, sowie Ruthenate, Pnictide und einige andere Materialien. Die Entdeckung bestätigt das Vorhandensein eines neuen grundlegenden Mechanismus der Ladung und Wärmeübertragung in solchen Verbindungen, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Physical Review Letters.
Graphen ist eine zweidimensionale allotrope Modifikation von Kohlenstoff, die aus Atomen besteht, die in Form von Sechsecken angeordnet sind und in atomdicken Schichten zusammengefasst sind. Graphen hat viele ungewöhnliche Eigenschaften, die in Wissenschaft und Technologie möglicherweise nützlich sind. Wissenschaftler entdecken jedoch weiterhin neue ungewöhnliche Eigenschaften dieses Materials.
Eine der wichtigsten Entdeckungen der letzten zwei Jahre war die Entdeckung der Supraleitung in zweischichtigem Graphen. Durch Drehen der Blätter um einen kleinen Winkel entsteht ein periodisches hexagonales Moiré-Übergitter mit einer viel längeren Periode als die von Graphen selbst. Wenn der Winkel einen der "magischen" Werte annimmt, von denen der kleinste nahe bei 1,1 Grad liegt, geht die Substanz bei niedrigen Temperaturen in einen supraleitenden Zustand über. Detaillierte Studien haben gezeigt, dass solches Graphen in einigen seiner Eigenschaften, insbesondere im Phasendiagramm, Cupraten - Verbindungen ähnlich ist, bei deren Entdeckung der Begriff Hochtemperatursupraleitung auftrat.
Pablo Jarillo-Herrero vom Massachusetts Institute of Technology und seine Kollegen aus den USA und Japan haben ein weiteres Merkmal entdeckt, das zweischichtiges Graphen um einen "magischen" Winkel ähnlich wie Cuprate dreht: das Vorhandensein einer seltsamen Metallphase mit einer linearen Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur in der Nähe Absoluter Nullpunkt. Eine solche Regelmäßigkeit wird bei gewöhnlichen Metallen nicht beobachtet, bei denen in der Regel nach der supraleitenden Phase ein starker Widerstandsanstieg auftritt. Darüber hinaus gibt es derzeit keine vollständige theoretische Erklärung für dieses Phänomen.
Der Elektronentransport in Metallen wurde lange Zeit erfolgreich durch die 1900 formulierte Drude-Theorie beschrieben, die die Leitfähigkeit mit der Dichte der als Gas betrachteten Elektronen, ihrer Masse und der durchschnittlichen Zeit τ zwischen der Streuung durch Ionen in Beziehung setzt. Mit Quantenkorrekturen, die die Masse realer Teilchen durch die effektive Masse der Ladungsträger ersetzten und die Zeit zwischen der Streuung bei niedrigen Temperaturen durch eine Proportionalität τ ∼ T-2 verknüpften, beschrieb dieses Modell die meisten experimentellen Daten bis in die 1980er Jahre erfolgreich.
Die Entdeckung von Cupraten im Jahr 1986 zeigte die Grenzen der Theorie, die die beobachtete Phase eines seltsamen Metalls mit einer linearen Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur nicht erklären konnte. Dieses Verhalten legt nahe, dass die Zeit zwischen den Streuungen umgekehrt proportional zur ersten Potenz der Temperatur und nicht zum Quadrat ist, wie im Drude-Modell. Die Entdeckung einer seltsamen Metallphase in zweischichtigem Graphen zeigt zusätzlich die Notwendigkeit, einen neuen theoretischen Ansatz für Transportphänomene zu entwickeln, und spricht von der Möglichkeit, dass eine solche Phase in vielen verschiedenen Systemen existiert.
Wenn wir die Zeit zwischen der Streuung in fremden Metallen mit der Drude-Formel berechnen (die aus theoretischer Sicht schlecht begründet ist), erhalten wir den Ausdruck τ = Cℏ ∕ kT, wobei ℏ die Plancksche Konstante ist, T die Temperatur ist, k die Boltzmannsche Konstante ist und C ein numerischer Koeffizient ist Verhältnismäßigkeit. Es wird angenommen, dass die Streurate mit der Stärke der Elektron-Elektron-Wechselwirkungen (die im ursprünglichen Drude-Modell völlig ignoriert werden) in Beziehung stehen sollte und sich in verschiedenen seltsamen Metallen sehr unterscheidet.
Beobachtungen zeigen jedoch, dass der C-Koeffizient für eine Vielzahl von seltsamen Metallen und, wie sich herausstellt, auch für zweischichtiges Graphen nahezu eins ist: In der neuen Arbeit fielen die gemessenen C-Werte in den Bereich von 1,1 bis 1,6. Diese Universalität lässt Theoretiker glauben, dass es einen neuen grundlegenden Mechanismus für Transportphänomene in fremden Metallen gibt. Wissenschaftler assoziieren diese Situation mit der Planckschen Dissipation, dh dem Zustand der Quantenverschränkung vieler Elektronen, in dem die nach den Gesetzen der Physik zulässige maximale Energiedissipationsrate erreicht wird.
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Zweischichtiges Graphen könnte sich als geeignetes System für die Fortsetzung von Experimenten auf diesem Gebiet herausstellen. Sein Hauptvorteil liegt in der Fähigkeit, den Füllfaktor des Übergitters, dh die Dichte der Ladungsträger, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu steuern, während andere seltsame Metalle mit anderen Verunreinigungen neu hergestellt werden müssen.
Timur Keshelava
