Экзотические свойства графена подтвердились

Сначала это были похожие на футбольный мяч молекулы, названные фуллеренами. Затем в лабораториях получили цилиндрические нанотрубки. И совсем недавно физика и нанотехнологии начали изучать новый интересный материал – графен, который представляет собой двумерную гексагональную структуру из атомов углерода одноатомной толщины.

Это не только самый тонкий из возможных материалов – он также в 10 раз прочнее стали и при комнатной температуре является лучшим из существующих проводников. Эти и другие экзотические свойства справедливо представляют немалый интерес для учёных, которые стремятся раскрыть их полный теоретический и практический потенциал.

Как говорит доцент факультета физики и астрономии в Университете Вандербилта (Vanderbilt University) Кирилл Болотин (Kirill Bolotin), есть два свойства, которые делают графен неповторимым. Во-первых, его молекулярная структура настолько устойчива к повреждениям, что исследователи просто обязаны были обратить на них внимание. Во-вторых, переносящие электрический заряд электроны перемещаются в нём намного быстрее и ведут себя так, будто их масса намного меньше, чем в металлах или суперпроводниках. В недавней публикации в авторитетном издании Nature Болотин утверждает, что совместно с коллегами из Колумбийского университета (Columbia University) он смог получить настолько чистый графен, что материал демонстрирует электрическое явление, называемое дробным квантовым эффектом Холла (за его открытие и объяснение в 1998 году Нобелевской премии удостоились Даниэль Цуи (Daniel Tsui), Хорст Штормер (Horst Stormer) и Роберт Беттс Лафлин (Robert Betts Laughlin)). Электроны при этом взаимодействуют и формируют новые квазичастицы с меньшими электрическими зарядами, чем у индивидуальных электронов.

Хотя графен – это первый действительно двумерный кристаллический материал, в течение многих лет учёные размышляли над тем, какими характеристиками должны обладать двумерные газы и жидкости. Был также достигнут успех в создании приблизительной модели такого газа путём соединения двух слегка отличающихся полупроводников. Электроны заключаются в "интерфейс" между ними и их движение ограничивается двумерным пространством. Когда такая система охлаждается до менее чем одного градуса выше абсолютного ноля и помещается в мощное магнитное поле, проявляется квантовый эффект Холла. Несмотря на то, что теоретическая основа получения графена была подготовлена ещё пять лет назад, данное явление удавалось вызвать лишь с незначительным и переменных успехом.

Согласно Болотину, исследователи установили источник проблем – влияние со стороны поверхности, на которой находится графен. Поэтому была разработана специальная техника полупроводникового литографического процесса, позволившая "подвесить" сверхчистый графеновый лист между микроскопическими опорами над поверхностью полупроводникового чипа. Когда полученную структуру охладили до температуры, на шесть градусов превышающей абсолютный ноль, и подвергли воздействию магнитного поля, проявился эффект Холла, как и предсказывала теория.

Лучший способ представить явление – вообразить электроны в графене как формирующие очень мелкий "океан" из зарядов. Когда приложено магнитное поле, в электронной жидкости появляются своеобразные "водовороты". Поскольку электроны заряжены отрицательно, "вихри" будут иметь положительный заряд. Они состоят из дробных зарядов электрона, таких как одна третья часть, половина или две третьих. Эти носители положительного заряда притягиваются и присоединяются к электронам, создавая квазичастицы с дробными зарядами. Понимание электрических свойств графена важно, поскольку, в отличие от других используемых индустрией материалов, они остаются стабильными вплоть до молекулярного уровня. В результате, когда текущая кремниевая технология производства чипов достигнет фундаментального предела через несколько лет, графен может занять освободившееся место будущего электроники.

Тем временем, некоторые физики-теоретики интересуются графеном по совсем иной причине: он предоставляет возможность опробовать их теории. Во время перемещения через обычные металлы электроны взаимодействуют с электрическими полями атомной решётки.

В итоге электроны изменяют поведение, словно имея отличную от свойственной им массу. Физики назвали явление "эффективной массой" начали рассматривать электроны в этом случае как квазичастицы. В графене они также показывают себя квазичастицами, но будто с нулевой массой. Возможно, в последнем случае происходит подчинение законам квантовой электродинамики – тем же релятивистским уравнениям, которыми описываются частицы в чёрных дырах и ускорителях. В результате новый материал позволяет проводить лабораторные эксперименты и проверять теоретические модели наиболее экстремальных и неизведанных явлений Вселенной.