Фізика

У графені виявили новий тип квазічастинок

Фізики з Манчестерського університету виявили занадто рухомі квазічастинки в надрешітці з графену та нітриду бору і віднесли їх до окремого типу, який назвали ферміонами Брауна-Зака. Така висока мобільність означає, що транзистори процесорів, зроблених на основі таких решіток, зможуть працювати на більших частотах, а отже виконувати більше обчислень в одиницю часу, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі Nature Communications.

Схематичне зображення мінімумів провідності, де суцільні лінії вказують на передбачувану траєкторію квазічастинок, а тонкі — на аномальну поведінку/Nature Communications, 2020

Схематичне зображення мінімумів провідності, де суцільні лінії вказують на передбачувану траєкторію квазічастинок, а тонкі — на аномальну поведінку/Nature Communications, 2020

Що знайшли фізики?

У графеновій надрешітці з нітридом бору виявили квазічастинки, які рухаються прямими траєкторіями і зберігають рухливість навіть за збільшення магнітного поля. Така поведінка відрізняється від поведінки ферміонів Стандартної моделі, а тому вчені вирішили віднести ці квазічастинки до окремого типу і назвали їх ферміонами Брауна-Зака. Вченим вдалося відновити їхню траєкторію в сильних магнітних полях до 16 Тесла (майже в 500 000 разів більше магнітного поля Землі), де вони з’ясували, що у певний момент воно ніби перестає впливати на ці квазічастинки і їм вдається зберігати балістичні траєкторії та навіть кількамікрометрову довжину вільного пробігу.

Фізики стверджують, що вивчення природи цього явище дасть змогу створити нові електронні пристрої, розроблені на надрешітках, які будуть здатні працювати навіть за впливу сильних магнітних полів. Збереження рухливості частинок в таких умовах дає можливість розробити швидші комп’ютери на процесорах, які працюватимуть за високих частот.

Чому ці квазічастинки віднесли до нового типу?

Електрони в графені отримують релятивістські властивості не через величезних енергій і швидкостей, а завдяки особливій симетрії кристалічної решітки. Таке явище називають осциляціями Блоха та спостерігають саме у надрешітках - нанометрових періодичних структурах з двох матеріалів. Оскільки періодичний потенціал самої решітки впливає на їхню поведінку, енергія квазічастинок в постійному електричному полі коливається близько нульового значення, а тому разом з нею періодично змінюється і її координата.

Досі такі квазічастинки розглядали як ферміони Дірака - квазічастинки, які у графені схожі на фотони, тобто не мають маси. Однак, у своїй роботі фізики, змінюючи магнітне поле, зафіксували раніше невідому поведінку - квазічастинки продовжили рух за прямою траєкторією, а не почали рухатися по колу, як мали за умови сильного магнітного поля. Таку поведінку неможливо пояснити за допомогою фізичних теорій, які вже існують, а тому вчені припускають можливість існування інших електронних станів, не описаних енергетичними рівнями Ландау.

Як вченим вдалося їх побачити?

Фізики зафіксували такі аномалії під час експериментів з графеновим моношаром, розміщеним між шарами з нітриду бору. Шукаючи структури різної будови та розмірів, вчені варіювали магнітне поле, щоб побачити поведінку частинок у матеріалі, змінити провідність матеріалу та вивчити будову електронних рівнів.

Стандартної моделі
теоретична конструкція, що описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію всіх елементарних частинок
довжину вільного пробігу
середня відстань, яку долає частинка за проміжок часу між зіткненнями з іншими частинками