Графен: когда пончик становится яблоком

Анастасия Варле работает докторантом в исследовательской группе, возглавляемой профессором ETH Клаусом Энслином в лаборатории физики твердого тела, и имеет две исследовательские работы, опубликованные последовательно в американском научном журнале Physical Review Letters. Обе работы основаны на измерениях одного и того же электронного компонента — многослойной конструкции из графена — материала из углерода с сотовой структурой толщиной всего в один атом. Один слой графена чрезвычайно стабилен, эластичен и проводит ток. Этот чудесный материал представляет особый интерес в электронных приложениях, когда два слоя находятся друг над другом, поскольку он становится полупроводником, который можно использовать для создания электронных переключателей.

Качество образца двухслойного графена Варле было настолько хорошим, что исследователь получила совершенно неожиданные результаты своих измерений. «Мы смогли доказать существование перехода Лифшица», — говорит она. Физик на примере кофейной чашки и стакана с водой объясняет, что это означает.

У чашки есть ручка с отверстием. Используя математические функции, можно преобразовать геометрически спроектированный объект из формы чашки в форму пончика, учитывая, что пончик также имеет отверстие. Стакан же нельзя превратить в пончик, потому что в нем нет отверстия. С математической точки зрения, чашка имеет ту же топологию, что и пончик. «Стекло топологически такое же, как яблоко», — объясняет Энслин.

Изменение топологии объекта может улучшить его полезность; е.грамм. превратив стакан в чашку с ручкой. На самом деле это вообще не должно быть возможным; тем не менее, исследователи ETH достигли именно этого, используя двойной слой графена.

Названный в честь русского физика, предсказавшего его в 1960 году, переход Лифшица представляет собой преобразование одной топологии в другую. Однако это не относится к объектам в нашей нормальной среде; скорее, физики исследуют абстрактную топологию поверхностей, с помощью которой энергетическое состояние электронов описывается электронными материалами. В частности, исследователи исследовали поверхности с постоянной энергией, поскольку они определяют проводимость материала и потенциал его применения.
Три острова в озере

Энслин проводит еще одно сравнение, чтобы продемонстрировать математическую концепцию, лежащую в основе этих энергетических поверхностей: «Представьте себе холмистый ландшафт, в котором долины наполняются электрическими зарядами, точно так же, как уровень воды между холмами поднимается во время дождя."Вот как из первоначального изолятора образуется проводящий материал — когда дождь прекращается, вода образует озеро, из которого отдельные вершины холмов выступают, как острова. Именно это и наблюдал Варле, экспериментируя с двойным слоем графена: при низком уровне воды есть три независимых, но эквивалентных озера. Когда уровень воды повышается, три озера соединяются, образуя большой океан. «Топология полностью изменилась», — заключает Варле.

Другими словами, так пончик превращается в яблоко.
До сих пор у ученых не было нужного материала, чтобы продемонстрировать переход Лифшица в эксперименте.

Металлы не подходят, и первоначально команда ETH не знала, что нашла материал, который искали другие. «Мы наблюдали что-то странное в наших измерениях конструкции графенового сэндвича, что мы не могли объяснить», — говорит Варле. Русский теоретик Владимир Фалько смог интерпретировать эти измерения в обсуждениях с командой.
Недорогое сырье

Чтобы создать сэндвич-конструкцию, Варле заключил двойной слой графена в два слоя нитрида бора, материала, который обычно используется для смазки и который имеет чрезвычайно гладкую поверхность. Хотя оба материала дешевы, в чистом помещении требуется много работы — углеродные хлопья должны быть исключительно чистыми, чтобы произвести работающий компонент. «Значительная часть моей работы состоит в очистке графена», — говорит Варле. По словам начальника Варле, особенность образцов заключается в том, что они способны выдерживать чрезвычайно сильные электрические поля, что позволяет выполнять работы, опубликованные в Physical Review Letters.

В настоящее время практическое использование этого явления является лишь предположением. Например, топология квантовых состояний предлагает способ отделить их от окружающей среды и, возможно, достичь чрезвычайно стабильных квантовых состояний, которые можно использовать для обработки информации. Тем временем, однако, исследователи сосредоточатся на том, чтобы лучше понять структурные элементы двухслойного графена.

Команда является частью исследовательской группы Quantum Science and Technology (QSIT), в которую входят группы из университетов Базеля, Лозанны, Женевы и ETH Zurich, а также представители IBM. Клаус Энслин — директор этого национального исследовательского центра, и его команда также участвует в проекте ЕС Graphene Flagship. «Основная цель проекта — разработать совершенно новые материалы», — говорит профессор ETH.

Основное внимание уделяется структурам из чрезвычайно тонких слоев, таким как компонент, разработанный Анастасией Варле.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.