Автор AZoNano Апрель 8 2021

Большинство материалов превращаются из твердых тел в жидкости при нагревании. Одним из редких контрпримеров является гелий-3, который может затвердеть при нагревании.

Этот противоречивый и экзотический эффект, известный как эффект Померанчука, возможно, теперь нашел свой электронный аналог в материале, известном как графен с магическим углом, говорит группа исследователей из Института Вейцмана под руководством профессора Шахала Илани. в сотрудничестве с группой профессора Пабло Харилло-Эрреро из Массачусетского технологического института (MIT)

Этот результат, опубликованный сегодня в Nature стал результатом первого в истории измерения электронной энтропии в атомно-тонком двумерном материале. «Энтропия описывает уровень беспорядка в материале и определяет, какая из его фаз стабильна при различных температурах», объясняет Илани. «Наша команда приступила к измерению электронной энтропии в графене с магическим углом, чтобы разрешить некоторые из его выдающихся загадок, но обнаружила еще один сюрприз».

Гигантская магнитная энтропия

Энтропия – это базовая физическая величина, которую нелегко понять или измерить напрямую. При низких температурах большинство степеней свободы в проводящем материале вымерзают, и только электроны вносят вклад в энтропию. В объемных материалах имеется большое количество электронов, поэтому можно измерить их теплоемкость и на основании этого вывести энтропию. В атомарно-тонком двумерном материале из-за небольшого количества электронов такое измерение становится чрезвычайно сложным. Пока что не удалось измерить энтропию в таких системах.

Для измерения энтропии команда Вейцмана использовала уникальный сканирующий микроскоп, состоящий из одноэлектронного транзистора из углеродных нанотрубок, расположенного на краю кантилевера сканирующего зонда. Этот инструмент может пространственно отображать электростатический потенциал, создаваемый электронами в материале, с беспрецедентной чувствительностью. Основываясь на соотношениях Максвелла, которые связывают различные термодинамические свойства материала, можно использовать эти электростатические измерения для непосредственного исследования энтропии электронов.

«Когда мы проводили измерения в сильных магнитных полях, энтропия выглядела абсолютно нормальной, следуя ожидаемому поведению обычной (ферми) жидкости электронов, которая является наиболее стандартным состоянием, в котором электроны существуют при низких температурах. Однако удивительно, что в нулевом магнитном поле электроны проявляли гигантский избыток энтропии, присутствие которой было очень загадочным ». говорит Илани. Эта гигантская энтропия возникла, когда количество электронов в системе было примерно по одному на каждый узел искусственной «сверхрешетки», образованной в графене с магическим углом.

Искусственная «сверхрешетка» в скрученных слоях графена

Графен представляет собой кристалл атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке. Когда два листа графена помещаются друг на друга с небольшим и особым или «волшебным» углом смещения, появляется периодический муаровый узор, который действует как искусственная «сверхрешетка» для электронов в материале. Муаровый узор – это популярный эффект на тканях, который возникает там, где одна сетка накладывается на другую под небольшим углом.

В графене с магическим углом электроны бывают четырех видов: вращение «вверх» или вращение «вниз» и две «впадины». Таким образом, каждый узел муара может содержать до четырех электронов, по одному каждого аромата.

Исследователи уже знали, что эта система ведет себя как простой изолятор, когда все муаровые участки полностью заполнены (четыре электрона на узел). Однако в 2018 году профессор Харилло-Эрреро и его коллеги к своему удивлению обнаружили, что он может быть изолирующим при других целочисленных заполнениях (два или три электрона на муаровый узел), что можно объяснить только в случае формирования коррелированного состояния электронов. Однако при заполнении одним электроном на муаровый узел подавляющее большинство транспортных измерений показали, что система довольно проста и ведет себя как обычный металл. Именно здесь измерения энтропии, выполненные командой Weizmann-MIT, дали самые удивительные результаты.

«В отличие от поведения, наблюдаемого при переносе около заполнения одного электрона на муаровый узел, которое довольно безлико, наши измерения показали, что термодинамически наиболее драматический фазовый переход происходит при этом заполнении» – говорит доктор Асаф Розен, ведущий автор этой работы. «Мы поняли, что около этого заполнения при нагревании материала довольно обычная ферми-жидкость превращается в коррелированный металл с гигантской магнитной энтропией. Эту гигантскую энтропию (около 1 постоянной Больцмана на узел решетки) можно было бы объяснить, только если бы каждый муаровый участок имеет определенную степень свободы, которая полностью свободна от колебаний ».

Электронный аналог эффекта Померанчука

«Эта необычная избыточная энтропия напомнила нам об экзотическом эффекте, который был открыт около 70 лет назад в гелии-3», – говорит теоретик Вейцмана профессор Эрез Берг. «Большинство материалов при нагревании превращаются из твердого тела в жидкость. Это потому, что жидкость всегда имеет большую энтропию, чем твердое тело, так как атомы движутся в жидкости более неравномерно, чем в твердом». В гелии-3, однако, на небольшой части фазовой диаграммы материал ведет себя совершенно противоположно, и более высокотемпературная фаза является твердой. Такое поведение, предсказанное советским физиком-теоретиком Исааком Померанчуком в 1950-х годах, можно объяснить только существованием еще одного «скрытого» источника энтропии в системе. В случае гелия-3 эта энтропия происходит от свободно вращающихся ядерных спинов. «У каждого атома есть спин в своем ядре (« стрелка », которая может указывать в любом направлении)» объясняет Берг. «В жидком гелии-3 из-за принципа исключения Паули ровно половина спинов должна указывать вверх, а половина – вниз, поэтому спины не могут свободно вращаться. Однако в твердой фазе атомы локализованы и никогда приближаются друг к другу, поэтому их ядерные спины могут свободно вращаться ".

«Гигантская избыточная энтропия, которую мы наблюдали в коррелированном состоянии с одним электроном на муаровый узел, аналогична энтропии в твердом гелии-3, но вместо атомов и ядерных спинов в случае графена с магическим углом. у нас есть электроны и электронные спины (или магнитные моменты долины) », – говорит он .

Магнитная фазовая диаграмма

Чтобы установить связь с эффектом Померанчука, команда провела подробные измерения фазовой диаграммы. Это было сделано путем измерения «сжимаемости» электронов в системе, то есть того, насколько сложно втиснуть дополнительные электроны в данный узел решетки (такое измерение было продемонстрировано в скрученном двухслойном графене в предыдущей работе группы). Это измерение выявило две различные фазы, разделенные резким падением сжимаемости: низкоэнтропийную, электронную жидко-подобную фазу и высокоэнтропийную твердоподобную фазу со свободными магнитными моментами. Наблюдая за падением сжимаемости, исследователи нанесли на карту границу между двумя фазами как функцию температуры и магнитного поля, продемонстрировав, что фазовая граница ведет себя именно так, как и ожидалось от эффекта Померачука

«Этот новый результат бросает вызов нашему пониманию магического угла графена», – говорит Берг. «Мы вообразили, что фазы в этом материале простые – проводящие или изолирующие, и ожидали, что при таких низких температурах все электронные флуктуации заморожены. Оказалось, что это не так, поскольку гигантская магнитная энтропия показывает ».

«Новые открытия дадут свежий взгляд на физику сильно коррелированных электронных систем и, возможно, даже помогут объяснить, как такие флуктуирующие спины влияют на сверхпроводимость», – добавляет он .

Исследователи признают, что они еще не знают, как объяснить эффект Померанчука в графене с магическим углом. Точно ли это, как в гелии-3, в котором электроны в твердой фазе остаются на большом расстоянии друг от друга, позволяя их магнитным моментам оставаться совершенно свободными – «Мы не уверены», – признает Илани, «поскольку фаза, которую мы наблюдали, имеет« характерную черту »- некоторые из ее свойств связаны с блуждающими электронами, в то время как другие могут быть объяснены, только думая, что электроны локализованы на решетке»

Проф. Исследования Шахала Илани поддерживаются программой Sagol Weizmann-MIT Bridge; премия Андре Делоро за научные исследования; премия Розы и Эмилио Сегре за исследования; и Благотворительный фонд Леоны М. и Гарри Б. Хелмсли

Проф. Исследования Эреза Берга поддержаны Ирвингом и Черной Московиц.

Проф. Исследования Ювала Орег поддерживаются кафедрой экспериментальной физики леди Дэвис. Профессор Орег – руководитель Центра нанофизики имени Мориса и Габриэллы Гольдшлегер.

Проф. Исследования Ади Стерн поддерживаются Дискреционным фондом Вероники А. Рабл по физике и Программой лидерства Цукермана в STEM

Источник: https://www.weizmann.ac.il/pages/