Автор AZoNano ноя 13 2020

Группа исследователей под руководством сэра Андре Гейма и доктора Алексея Бердюгина из Манчестерского университета открыла и охарактеризовала новое семейство квазичастиц, названных «фермионы Брауна-Зака» в сверхрешетках на основе графена.

Команда достигла этого прорыва, выровняв атомную решетку графенового слоя с решеткой изолирующего листа нитрида бора, резко изменив свойства графенового листа.

Исследование следует за годами последовательных достижений в сверхрешетках графен-нитрид бора, которые позволили наблюдать фрактальный узор, известный как бабочка Хофштадтера – и сегодня (пятница, 13 ноября) исследователи сообщают об еще одном весьма неожиданном поведении частиц в таких структурах. под приложенным магнитным полем.

«Хорошо известно, что в нулевом магнитном поле электроны движутся по прямым траекториям, и если вы приложите магнитное поле, они начнут изгибаться и двигаться по кругу», объясняют Жюльен Барьер и доктор Пиранаван Кумаравадивел , проводивший экспериментальную работу.

«В слое графена, который выровнен с нитридом бора, электроны также начинают изгибаться, но если вы установите определенное значение магнитного поля, электроны снова будут двигаться по прямолинейным траекториям, как если бы больше нет магнитного поля! Такое поведение радикально отличается от физики из учебников ».

«Мы связываем это удивительное поведение с образованием новых квазичастиц в сильном магнитном поле», – говорит доктор Алексей Бердюгин . «Эти квазичастицы обладают своими уникальными свойствами и исключительно высокой подвижностью, несмотря на чрезвычайно сильное магнитное поле».

Как опубликовано в Nature Communications (doi: 10.1038 / s41467-020-19604-0 ), работа описывает, как электроны ведут себя в сверхвысококачественной сверхрешетке графена. с пересмотренной структурой фрактальных характеристик бабочки Хофштадтера. Фундаментальные улучшения в изготовлении графеновых устройств и методах измерения за последнее десятилетие сделали эту работу возможной.

Новая квазичастица

«Концепция квазичастиц, возможно, является одной из самых важных в физике конденсированного состояния и квантовых системах многих тел. Он был введен физиком-теоретиком Львом Ландау в 1940-х годах для описания коллективных эффектов как «одночастичного возбуждения», – поясняет Жюльен Барьер . «Они используются в ряде сложных систем для учета эффектов многих тел».

До сих пор поведение коллективных электронов в сверхрешетках графена рассматривалось в терминах фермиона Дирака, квазичастицы, которая имеет уникальные свойства, напоминающие фотоны (частицы без массы), которые воспроизводятся в сильных магнитных полях. Однако при этом не учитывались некоторые экспериментальные особенности, такие как дополнительное вырождение состояний, и не учитывалась конечная масса квазичастицы в этом состоянии.

Авторы предлагают «фермионы Брауна-Зака» как семейство квазичастиц, существующих в сверхрешетках в сильном магнитном поле. Это характеризуется новым квантовым числом, которое можно напрямую измерить. Интересно, что работа при более низких температурах позволила им снять вырождение обменного взаимодействия при сверхнизких температурах.

«В присутствии магнитного поля электроны в графене начинают вращаться по квантованным орбитам. Для фермионов Брауна-Зака нам удалось восстановить прямую траекторию в десятки микрометров в сильных магнитных полях до 16 Тл (в 500 000 раз больше магнитного поля Земли). В определенных условиях баллистические квазичастицы не ощущают эффективного магнитного поля », объясняют д-р Кумаравадивел и д-р Бердюгин.

Высокая подвижность фермионов Брауна Зака ​​

В электронной системе подвижность определяется как способность частицы перемещаться под действием электрического тока. Высокая подвижность долгое время была Святым Граалем при изготовлении 2D-систем, таких как графен, поскольку такие материалы будут обладать дополнительными свойствами (целочисленными и дробными квантовыми эффектами Холла) и потенциально позволят создавать сверхвысокочастотные транзисторы, компоненты, лежащие в основе компьютерный процессор.

«Для этого исследования мы подготовили графеновые устройства очень большого размера и очень высокого уровня чистоты». – говорит доктор Кумаравадивел. Это позволило нам достичь подвижности в несколько миллионов см² / В, что означает, что частицы будут перемещаться прямо через все устройство, не рассеиваясь. Важно отметить, что это имело место не только для классических фермионов Дирака в графене, но и для фермионов Брауна-Зака, о которых сообщалось в работе

.

Эти фермионы Брауна-Зака определяют новые металлические состояния, которые являются общими для любой сверхрешеточной системы, а не только для графена, и предлагают площадку для новых задач физики конденсированного состояния в других сверхрешетках на основе других 2D материалов.

Жюльен Барьер добавил: «Полученные результаты, конечно, важны для фундаментальных исследований электронного транспорта, но мы считаем, что понимание квазичастиц в новых сверхрешеточных устройствах в сильных магнитных полях может привести к разработке новых электронных устройств».

Высокая мобильность означает, что транзистор, сделанный из такого устройства, может работать на более высоких частотах, позволяя процессору, сделанному из этого материала, выполнять больше вычислений в единицу времени, что приводит к более быстрому компьютеру. Применение магнитного поля обычно снижает мобильность и делает такое устройство непригодным для определенных приложений. Высокая подвижность фермионов Брауна-Зака в сильных магнитных полях открывает новые перспективы для электронных устройств, работающих в экстремальных условиях.