Kaksikerroksisessa grafeenissa, jota pyöritettiin "maagisen" kulman läpi, havaittiin harvinainen lineaarinen sähkövastuksen riippuvuus lämpötilasta lähellä absoluuttista nollaa. Tämä ominaisuus tekee kaksikerroksisesta grafeenista epätavallisen luokan aineita, joita kutsutaan outoiksi metalleiksi. Se sisältää esimerkiksi kuparit, mukaan lukien tietueen haltijat suprajohtavuuslämpötilasta normaalissa paineessa, samoin kuin rutenaatit, piknikit ja jotkut muut materiaalit. Löytö vahvistaa uuden perusvarausmekanismin ja lämmönsiirron olemassaolon tällaisissa yhdisteissä, kirjoita kirjoittajat Physical Review Letters -lehdessä.
Grafeeni on hiilen kaksiulotteinen allotrooppinen modifikaatio, joka koostuu atomista, jotka on järjestetty kuusikulmioiden muodossa, yhdistettynä atomipaksuisiin levyihin. Grafeenilla on monia epätavallisia ominaisuuksia, joista voi olla hyötyä tieteessä ja tekniikassa. Tutkijat havaitsevat kuitenkin edelleen tämän materiaalin uusia epätavallisia ominaisuuksia.
Yksi kahden viimeisen vuoden tärkeistä löytöistä on ollut kaksikerroksisen grafeenin suprajohtavuuden havaitseminen. Levyjen kiertäminen pienellä kulmalla tuottaa jaksollisen muuralaisen kuusikulmaisen superhilan, jolla on paljon pidempi aikajakso kuin itse grafeenilla. Jos kulmassa on yksi "maagisista" arvoista, joista pienin on lähellä 1,1 astetta, niin aine menee alhaisissa lämpötiloissa suprajohtavaan tilaan. Yksityiskohtaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että tällainen grafeeni joillakin ominaisuuksilla, erityisesti vaihekaaviona, on samanlainen kuin kupaatit - yhdisteet, joiden löytöllä ilmeni termi korkean lämpötilan suprajohtavuus.
Pablo Jarillo-Herrero Massachusetts Institute of Technologystä ja hänen kollegansa Yhdysvalloista ja Japanista löysivät toisen ominaisuuden, joka saa kaksikerroksisen grafeenin pyörimään "maagisessa" kulmassa kuin kuparit: oudon metallifaasin läsnäolo, jonka lämpötilan vastus on lineaarinen riippuvuus lämpötilasta lähellä absoluuttinen nolla. Sellaista säännöllisyyttä ei havaita tavallisten metallien kohdalla, joissa yleensä vastuskyky nousee voimakkaasti suprajohtavan vaiheen jälkeen. Lisäksi tällä hetkellä ei ole täydellistä teoreettista selitystä tälle ilmiölle.
Kauan aikaa metallien elektronien kuljetusta kuvasi menestyksekkäästi vuonna 1900 muotoiltu Drude-teoria, joka liittää johtokyvyn kaasuna pidettävien elektronien tiheyteen, niiden massaan ja keskimääräiseen aikaan τ ionien sironnan välillä. Kvanttikorjauksilla, jotka korvasivat todellisten hiukkasten massan varauskuljettimien tosiasiallisella massalla ja yhdistivät hajotuksen alhaisissa lämpötiloissa suhteessa τ ∼ T-2, tämä malli kuvasi onnistuneesti suurimman osan kokeellisista tiedoista 1980-luvulle saakka.
Kuprateiden löytö vuonna 1986 osoitti teorian rajoitukset, jotka eivät voineet selittää omituisen metallin havaittua vaihetta, jonka resistenssin lineaarinen riippuvuus lämpötilasta. Tämä käyttäytyminen viittaa siihen, että hajontojen välinen aika on käänteisesti verrannollinen lämpötilan ensimmäiseen voimaan eikä neliöön, kuten Drude-mallissa. Oudotetun metallifaasin havaitseminen kaksikerroksisessa grafeenissa osoittaa lisäksi tarpeen kehittää uusi teoreettinen lähestymistapa kuljetusilmiöihin ja puhuu tällaisen vaiheen mahdollisuudesta olemassa monissa eri järjestelmissä.
Jos lasketaan outojen metallien sironnan välinen aika Drude-kaavalla (joka on teoreettisesta näkökulmasta puutteellisesti perusteltu), saadaan lauseke τ = Cℏ ∕ kT, missä ℏ on Planckin vakio, T on lämpötila, k on Boltzmannin vakio ja C on numeerinen kerroin suhteellisuus. Uskotaan, että sirontanopeuden on oltava suhteessa elektroni-elektroni-vuorovaikutusten voimakkuuteen (jotka jätetään täysin huomiotta alkuperäisessä Drude-mallissa), ja ne ovat hyvin erilaisia erilaisissa omituisissa metalleissa.
Havainnot kuitenkin osoittavat, että C-kerroin on lähellä yksikköä monille omituille metalleille ja kuten käy ilmi, myös kaksikerroksiselle grafeenille: uudessa työssä mitatut C-arvot laskivat välillä 1,1 - 1,6. Tämä yleismaailmallisuus saa teoreetikot uskomaan, että outojen metallien kuljetusilmiöille on olemassa uusi perustava mekanismi. Tutkijat yhdistävät tämän tilanteen Planckin hajoamiseen, toisin sanoen monien elektronien kvantti-takertumisen tilaan, jossa saavutetaan fysiikan lakien sallima suurin energian hajoamisnopeus.
Mainosvideo:
Kaksikerroksinen grafeeni voi osoittautua käteväksi järjestelmäksi jatkamaan kokeiluja tällä alalla. Sen tärkein etu on kyky hallita superhilan täyttökerrointa, toisin sanoen varauskuljettimien tiheyttä, sähköjännitteellä, kun taas muut omituiset metallit on valmistettava uudestaan muilla epäpuhtauksilla.
Timur Keshelava
