Новый микроскоп помог объяснить, почему возникает "магический" угол в графене

Ученые Института Вейцмана разработали мощный инструмент для изучения квантовых явлений – криогенный квантовый скрученный микроскоп (QTM).

Работа опубликована в журнале Nature.

Фундаментальные свойства материалов зависят от их базовых частиц: поток электронов управляет электрическим сопротивлением, а колебания атомной решетки, называемые фононами, управляют теплопроводностью. Фононы – это квазичастицы, которые физически являются колебаниями решетки, но могут быть описаны также, как, например, фотоны. Но наблюдать фононы гораздо сложнее. В материале есть и другие коллективные возбуждения, например, фазоны. Эти квазичастицы возникают в апериодических кристаллических структурах.

Когда электроны и квазичастицы взаимодействуют между собой, возникают неожиданные явления. При исследовании графена (углеродной решетки толщиной в один атом) был обнаружен неожиданный эффект: если два слоя графена положить друг на друга так, чтобы ячейки обоих слоев были повернуты друг относительно друга на угол 1,1 градуса – сопротивление двухслойного материала падает до нуля, то есть возникает сверхпроводимость. Это настолько неожиданное явление, что угол 1,1 градуса назвали "магическим". Причины возникновения сверхпроводимости в двухслойном графене долгое время оставались неясны.

Новый микроскоп QTM (Quantum twisting microscopy), разработанный в Институте Вейцмана, позволяет "наблюдать" фононы и фазоны, возникающие в материале. Наблюдая двухслойный графен, повернутый на магический угол, физики увидели фазон, связь которого с электронами усиливалась по мере приближения к магическому углу. Это никогда ранее не наблюдалось. Вероятно, именно фазоны играют ключевую роль в возникновении сверхпроводимости в двухслойном графене.

"Наш метод выходит далеко за рамки наблюдения фононов, – говорит Цзевэнь Сяо, соавтор работы. – Он может обнаружить любое возбуждение, связанное с туннелирующими электронами, открывая захватывающие пути для исследования и других коллективных возбуждений, таких как плазмоны, магноны, спиноны и другие".

Микроскоп QTM может стать одним из важных инструментов исследования квантовых материалов. Его уникальная способность исследовать как электронные состояния, так и коллективные возбуждения поможет продвинуться в самых разных областях науки, имеющих отношение к квантовым вычислениям, сенсорным технологиям и будущим квантовым электронным устройствам.