Jään ja veden kaltaisia tiloja erittäin ohuessa materiaalissa

MIT:n fyysikot raportoivat odottamattomasta löydöstä elektroneista, jotka muodostavat kiteisiä rakenteita materiaalissa, jonka paksuus on vain metrin miljardisosia.

Naturessa tammikuussa julkaistussa artikkelissa ryhmä kuvailee, kuinka elektronit rakenteissa, jotka on osittain valmistettu uudesta materiaalista, voivat muuttua kiinteiksi tai muodostaa kiteitä muuttamalla rakenteisiin kohdistettua jännitettä, kun niitä pidetään samankaltaisessa lämpötilassa kuin ulkoavaruus.

Viitaten uuteen materiaaliin, joka tunnetaan nimellä rhombohedral pentalayer graphene, Long Ju sanoo: "Löysimme kultakaivoksen, ja jokainen kauhaisu paljastaa jotain uutta."

Romboedrinen viisikerroksinen grafeeni on pohjimmiltaan grafiitin erityinen muoto. Romboedrinen viisikerroksinen grafeeni koostuu viidestä grafeenikerroksesta, jotka on pinottu päällekkäin tietyssä järjestyksessä.

Siitä lähtien, kun Ju ja kollegat löysivät materiaalin, he ovat työstäneet sitä lisäämällä kerroksia toista materiaalia, jonka he uskoivat voivan korostaa grafeenin ominaisuuksia tai jopa tuottaa uusia ilmiöitä.

Viime vuonna Ju ja kollegat raportoivat tärkeästä ilmiöstä: elektroneista tuli murto-osia itsestään, kun he kohdistavat virran uuteen rakenteeseen, joka koostuu romboedrisestä viisikerroksisesta grafeenista ja kuusikulmaisesta boorinitridistä. Tällainen "fraktaalinen kvantti Hall-ilmiö" on nähty vain muutamissa järjestelmissä, yleensä erittäin korkeiden magneettikenttien alla. Jun työ osoitti, että ilmiö voi esiintyä melko yksinkertaisessa materiaalissa ilman magneettikenttää.

Nykyisessä työssä Jun tiimi raportoi vielä odottamattomimmista ilmiöistä yleisestä romboedrisestä grafeeni/boorinitridijärjestelmästä, kun se jäähdytetään 30 millikelviniin. Viime vuoden paperissa Ju ja kollegat raportoivat kuudesta elektronien murto-osasta. Nyt he raportoivat löytäneensä vielä kaksi tällaista murto-osaista tilaa.

He löysivät myös toisen epätavallisen elektronisen ilmiön: kokonaislukukvanttipoikkeavuuden Hall-ilmiön laajalla elektronitiheysalueella. Fraktionaalisen kvanttipoikkeavan Hall-ilmiön ymmärrettiin ilmaantuvan elektronin "nestemäisessä" faasissa, joka on analoginen veden kanssa.

Sitä vastoin uusi tila, jonka ryhmä on nyt havainnut, voidaan tulkita elektronin "kiinteäksi" faasiksi - joka muistuttaa elektronisen "jään" muodostumista - joka voi esiintyä myös osakvanttipoikkeavien Hall-tilojen kanssa, kun järjestelmän jännite säädetään huolellisesti erittäin alhaisissa lämpötiloissa.

Ju huomauttaa, että hänen tiiminsä havaitsi kaikkia näitä ilmiöitä, ei vain viisikerroksisessa romboedrisessä grafeenissa, vaan myös neljästä kerroksesta koostuvassa romboedrisessä grafeenissa. Tämä luo materiaaliperheen ja osoittaa, että muita "sukulaisia" saattaa olla olemassa.

Aiheesta aiemmin:

Elektroneille viisikaistainen supervaltatie

Elektroneja murto-osina grafeenissa

Elektronien tanssia, lomittumista ja jäätiköitä