В ходе новых исследований графена ученые совершили открытие нового типа квазичастиц, получивших название фермионы Брауна-Зака.  Эти новые частицы демонстрируют уникальное поведение в магнитном поле, существенно отличающееся от поведения известных ранее дираковских фермионов. Здесь, характерной  особенностью фермионов Брауна-Зака является высокая подвижность и значительная длина свободного пробега, превышающая огромное расстояние в несколько микрометров. Результаты исследования опубликованы в авторитетном научном журнале Nature Communications. В работе подробно описано поведение электронов в магнитном поле, причем. как свободных, так и находящихся в кристаллической решетке. Известно, что свободные электроны под воздействием перпендикулярного магнитного поля движутся по окружности. При наличии проекции скорости на направление магнитного поля траектория частицы принимает форму спирали вдоль этого направления.

Сила магнитного поля напрямую влияет на крутизну спирали: чем сильнее поле, тем сильнее закручивается траектория. Прямолинейное или баллистическое движение электронов возможно только при нулевом или очень слабом магнитном поле. Электроны в кристаллической решетке ведут себя сложнее, поскольку испытывают влияние периодического потенциала решетки. Их движение описывается как движение квазичастиц.

При постоянном электрическом поле электрон (или любая другая частица) в твердом теле будут осциллировать, такие осцилляции называются осцилляциями Блоха. Наблюдать их можно, например в сверхрешетках — таких структурах, в которых помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный периодический потенциал с периодом больше постоянной решетки. Чаще всего для получения сверхрешеток соединяют два материала с разными постоянными решетки. В магнитном поле они демонстрируют сложный фрактальный спектр, который называют бабочкой Хофштадтера.

Группа ученых под руководством Александра Бердюгина (A. I. Berdyugin) из Университета Манчестера обнаружила в сверхрешетке графена с нитридом бора квазичастицы, которые двигаются по прямым траекториям даже при приложении ненулевого магнитного поля и обладают высокой подвижностью.

(a) фото экспериментального устройства, (b) подвижность и средняя длина пробега при нулевом магнитном поле и температуре 10 микрокельвин, (c) продольное сопротивление при разных напряжениях и значениях магнитного поля, (d) зависимости подвижности и средней длины пробега при значении магнитного поля 15 Тесла и температуре 250 микрокельвин. Jilien Barrier et al. / Nature communications

Физики исследовали сверхрешетки на основе монослоя графена, заключенного между слоями нитрида бора. С помощью электронно-лучевой литографии они получали структуры разной геометрии и размеров для проведения экспериментов. Для того чтобы изучить поведение частиц в графене они меняли магнитное поле и концентрацию носителей, что приводило к изменению продольной проводимости материала и давало информацию о строении электронных уровней. Кроме того, авторы следили за значением подвижности носителей заряда при разных температурах и значениях магнитного поля. Оказалось, что подвижности частиц могут достигать порядка миллиона см² В^-1 с^-1, а длина свободного пробега составляет несколько микрометров при ненулевых значениях магнитного поля.

(a) Увеличенная часть картинки 1 (выделено белым), (b) Схематичное изображение минимумов проводимости, сплошные линии показывают предсказуемую эволюцию уровней Ландау, тонкие – аномальный изгиб, а пунктирные – ступенчатую эволюцию некоторых уровней. Jilien Barrier et al. / Nature communications.

При определенных значениях магнитных полей фермионы Брауна-Зака ведут себя не как дираковские. Эти значения связаны с отношением магнитного потока к квантовому магнитному потоку, при котором восстанавливается трансляционная симметрия системы. Электронный спектр сверхрешетки в таком случае можно описывать в терминах блоховских состояний.

Сам спектр продольной проводимости имеет веерную структуру, которая позволяет различить уровни Ландау. Эти вееры расходятся от точек нейтральности графена и сингулярностей Ван Хова, что свойственно для сверхрешеток графена. Тем не менее некоторые мини-вееры демонстрировали аномальное поведение при низких температурах, которые не получается объяснить существующими теориями. Наличие аномальных изгибов может указывать на наличие электронных состояний, отличных от уровней Ландау. Поскольку электрон-электронные взаимодействия играют значительную роль в описанных экспериментах, они тоже могут быть причиной аномалий. Пока точного объяснения аномального поведения энергетических уровней, ученые продолжают их дальнейшее исследование.

Особенности свойств сверхрешеток на основе графена не только активно исследуют, но и ищут способы их контролировать. Например, ученые из США, Японии и Франции создали поворотную гетероструктуру для изменения свойств графена. А физики из Китая, США, Южной Кореи и Японии научились настраивать сверхпроводимость муаровой решетки из графена.

Новый механизм сверхпроводимости в графене

Исследователи из Центра теоретической физики комплексных систем при Институте базовых наук в Южной Корее сообщили об открытии нового механизма сверхпроводимости в графене. Он достигается совмещением графена с двумерным конденсатом Бозе-Эйнштейна. Работа была опубликована в журнале 2D Materials.

При сверхпроводимости после понижения температуры до определённого порогового значения электрическое сопротивление материала падает до нуля. Общепризнанным сегодня объяснением работы почти всех сверхпроводников является теория Бардина — Купера — Шриффера (теория БКШ). Согласно теории, в решётке образуются куперовские пары электронов, которые начинают вести себя как бозоны и перестают сталкиваться с решёткой. В результате их конденсации появляется сверхпроводимость.

Хотя графен прекрасно проводит электричество, сверхпроводимость по БКШ в нём не наблюдается, поскольку он подавляет взаимодействие электронов с фотонами. По этой же причине большинство хорошо проводящих ток материалов (золото, медь) — плохие сверхпроводники.

Гибридная система, состоящая из электронного газа в графене (верхний слой), отделённого от двумерного конденсата Бозе-Эйнштейна, представляемого непрямыми экситонами (синий и красный слои). Электроны в графене связываются с экситонами силами Кулона.

При низких температурах возникает не только сверхпроводимость, но и конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Это пятое агрегатное состояние вещества, впервые предсказанное Эйнштейном в 1924 году. Оно возникает, когда атомы с низкой энергией собираются вместе и переходят на один энергетический уровень. Гибрид системы Бозе-Ферми получается, когда слой электронов взаимодействует со слоем бозонов – к примеру, с непрямыми экситонами.

В графене сверхпроводимость возникает в результате взаимодействия электронов не с фотонами, как обычно, а с боголюбонами – квазичастицами, предсказанными русским советским математиком и физиком-теоретиком Николаем Николаевичем Боголюбовым. При некоторых условиях этот механизм работает в графене при температурах до 70 К.

Более того, исследование показало, что в данной схеме сохраняется дираковская дисперсия графена. Это указывает на то, что в этом сверхпроводящем механизме задействованы электроны с релятивистской дисперсией. Это явление не так хорошо изучено в физике конденсированного состояния.

Руководитель отдела взаимодействия света и материи в наноструктурах в Институте базовых наук Иван Савенко пояснил, что эта работа проливает свет на альтернативный метод достижения высокотемпературной сверхпроводимости. Управляя свойствами конденсата, можно подстраивать параметры сверхпроводимости графена. В будущем это даст нам ещё один способ управления сверхпроводящими устройствами.

Авторы: Оксана Борзенкова, Вячеслав Головатов
Источники: https://nplus1.ru/, https://habr.com/