In tweelaags grafeen dat over een "magische" hoek werd geroteerd, werd een zeldzame lineaire afhankelijkheid van de elektrische weerstand van de temperatuur nabij het absolute nulpunt gevonden. Deze functie maakt dubbellaags grafeen gerelateerd aan een ongebruikelijke klasse van stoffen die vreemde metalen worden genoemd. Het bevat bijvoorbeeld cupraten, inclusief de recordhouders voor supergeleidingstemperatuur bij normale druk, evenals ruthenaten, pnictiden en enkele andere materialen. De ontdekking bevestigt de aanwezigheid van een nieuw fundamenteel mechanisme van lading en warmteoverdracht in dergelijke verbindingen, schrijven de auteurs in het tijdschrift Physical Review Letters.
Grafeen is een tweedimensionale allotrope modificatie van koolstof, bestaande uit atomen gerangschikt in de vorm van zeshoeken, verenigd in platen van atomaire dikte. Grafeen heeft veel ongebruikelijke eigenschappen die mogelijk nuttig zijn in wetenschap en technologie. Wetenschappers blijven echter nieuwe ongebruikelijke kenmerken van dit materiaal ontdekken.
Een van de belangrijkste ontdekkingen van de afgelopen twee jaar was de ontdekking van supergeleiding in dubbellaags grafeen. Door de vellen onder een kleine hoek te draaien, ontstaat een periodiek moiré hexagonaal superrooster met een veel langere periode dan die van grafeen zelf. Als de hoek een van de "magische" waarden aanneemt, waarvan de kleinste bijna 1,1 graden is, gaat de stof bij lage temperaturen in een supergeleidende toestand. Gedetailleerde studies hebben aangetoond dat dergelijk grafeen in sommige eigenschappen, in het bijzonder het fasediagram, vergelijkbaar is met cupraten - verbindingen, met de ontdekking waarvan de term supergeleiding bij hoge temperatuur verscheen.
Pablo Jarillo-Herrero van het Massachusetts Institute of Technology en zijn collega's uit de Verenigde Staten en Japan hebben een ander kenmerk ontdekt waardoor dubbellaagse grafeen wordt geroteerd met een 'magische' hoek die lijkt op cupriaten: de aanwezigheid van een vreemde metaalfase met een lineaire afhankelijkheid van temperatuurbestendigheid nabij absolute nulpunt. Een dergelijke regelmaat wordt niet waargenomen voor gewone metalen, waarbij in de regel een sterke toename van de weerstand optreedt na de supergeleidende fase. Bovendien is er op dit moment geen volledige theoretische verklaring voor dit fenomeen.
Het elektronentransport in metalen werd lange tijd met succes beschreven door de Drude-theorie, geformuleerd in 1900, die de geleidbaarheid relateert aan de dichtheid van elektronen die als een gas worden beschouwd, hun massa en de gemiddelde tijd τ tussen verstrooiing door ionen. Met kwantumcorrecties die de massa van echte deeltjes vervangen door de effectieve massa van ladingsdragers en de tijd tussen verstrooiing bij lage temperaturen koppelden aan een proportionaliteit τ ∼ T-2, beschreef dit model met succes de meeste experimentele gegevens tot in de jaren tachtig.
De ontdekking van cupraten in 1986 toonde de beperkingen van de theorie aan, die de waargenomen fase van een vreemd metaal met een lineaire afhankelijkheid van weerstand en temperatuur niet kon verklaren. Dit gedrag suggereert dat de tijd tussen verstrooiingen omgekeerd evenredig is met de eerste macht van de temperatuur, en niet met het kwadraat, zoals in het Drude-model. De ontdekking van de vreemde metaalfase in dubbellaags grafeen geeft verder de noodzaak aan om een nieuwe theoretische benadering van transportverschijnselen te ontwikkelen en spreekt van de mogelijkheid van een dergelijke fase in veel verschillende systemen.
Als we de tijd tussen verstrooiing in vreemde metalen berekenen met behulp van de Drude-formule (die theoretisch slecht onderbouwd is), dan krijgen we de uitdrukking τ = Cℏ ∕ kT, waarbij ℏ de constante van Planck is, T de temperatuur is, k de constante van Boltzmann en C een numerieke coëfficiënt evenredigheid. Aangenomen wordt dat de verstrooiingssnelheid gerelateerd moet zijn aan de sterkte van de elektron-elektron-interacties (die volledig worden genegeerd in het oorspronkelijke Drude-model), en ze zijn heel verschillend in verschillende vreemde metalen.
Waarnemingen tonen echter aan dat de C-coëfficiënt dicht bij de eenheid ligt voor een grote verscheidenheid aan vreemde metalen en, zo blijkt, ook voor tweelaags grafeen: in het nieuwe werk vielen de gemeten C-waarden in het bereik van 1,1 tot 1,6. Deze universaliteit brengt theoretici ertoe te geloven dat er een nieuw fundamenteel mechanisme is voor transportverschijnselen in vreemde metalen. Wetenschappers associëren deze situatie met Planckiaanse dissipatie, dat wil zeggen de toestand van kwantumverstrengeling van veel elektronen, waarin de maximale snelheid van energiedissipatie wordt bereikt die door de wetten van de fysica is toegestaan.
Promotie video:
Tweelaags grafeen kan een handig systeem blijken te zijn om experimenten op dit gebied voort te zetten. Het belangrijkste voordeel ligt in het vermogen om de vulfactor van het superrooster, dat wil zeggen in feite de dichtheid van ladingsdragers, te regelen door een elektrische spanning aan te leggen, terwijl andere vreemde metalen opnieuw moeten worden vervaardigd met andere onzuiverheden.
Timur Keshelava
