Ερευνητές ανακαλύπτουν νέα οικογένεια οιονεί σωματίων σε υλικά με βάση το γραφένιο

Θα αναφερθούμε, σήμερα 15 Νοεμβρίου, σε μια σημαντική ανακάλυψη που έκαναν επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Manchester και την οποία ανακοίνωσαν πριν από δυο μέρες, 13 Νοεμβρίου 2020. Η ομάδα των ερευνητών υπό την ηγεσία των Sir Andre Geim και Dr Alexey Berdyugin, ανακάλυψαν και χαρακτήρισαν μια νέα οικογένεια οιονεί σωματίων (quasiparticles), τα οποία ονόμασαν «φερμιόνια Brown-Zak» (Brown-Zak fermions) σε υπερπλέγματα με βάση το γραφένιο. Η ομάδα πέτυχε τη σημαντική αυτή ανακάλυψη ευθυγραμμίζοντας το ατομικό πλέγμα ενός στρώματος γραφενίου με αυτό ενός μονωτικού φύλου νιτριδίου του βορίου, αλλάζοντας δραματικά τις ιδιότητες του φύλλου του γραφενίου.

Η ανακάλυψη φαίνεται πως αποκαλύπτει ένα φαινόμενο το οποίο βρίσκεται έξω από την γνώση που παρέχεται από τα βιβλία φυσικής, στοιχείο που κάτι δείχνει σε σχέση με την διδακτική της φυσικής – αλλά για αυτό θα μιλήσουμε άλλη φορά, παραμένοντας στην σημαντική ανακάλυψη. Ας παρακολουθήσουμε τις σκέψεις των ερευνητών του Πανεπιστημίου του Manchester: Αυτό που αναδύεται ως γνώση από τα βιβλία φυσικής είναι ότι σε μηδενικό μαγνητικό πεδίο τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ευθείες τροχιές και αν εφαρμοστεί ένα μαγνητικό πεδίο αυτά αρχίζουν να στρίβουν και κινούνται σε κύκλους.

Στο στρώμα του γραφενίου που ευθυγραμμίζεται με το νιτρίδιο του βορίου, τα ηλεκτρόνια επίσης αρχίζουν να στρίβουν – αλλά, εάν η τιμή του μαγνητικού πεδίου πάρει συγκεκριμένες τιμές, τα ηλεκτρόνια κινούνται και πάλι σε ευθείες τροχιές, σαν να μην υπάρχει πια μαγνητικό πεδίο. Μια τέτοια συμπεριφορά είναι ριζικά διαφορετική από αυτά που αναφέρονται στα διδακτικά βιβλία. «Αποδώσαμε αυτή την συναρπαστική συμπεριφορά στο σχηματισμό ενός νέου οιονεί σωματίου σε υψηλές τιμές μαγνητικού πεδίου», αναφέρει στην ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου ο Dr Alexey Berdyugin, ένας από την ομάδα των ερευνητών. «Αυτά τα οιονεί σωμάτια έχουν τις δικές τους μοναδικές ιδιότητες και εξαιρετικά μεγάλη κινητικότητα παρά το ακραία υψηλό μαγνητικό πεδίο».

Η εργασία αποτελεί συνέχεια των επί πολλά χρόνια διαδοχικών προόδων στα υπερπλέγματα γραφενίου-νιτριδίου του βορίου, που επέτρεψαν την παρατήρηση ενός φράκταλ μοτίβου γνωστού ως πεταλούδα του Hofstadter (Hofstadter’s butterfly) και έτσι τώρα οι ερευνητές αναφέρουν άλλη μια πολύ εκπληκτική συμπεριφορά των σωματίων σε τέτοιες δομές κάτω από εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Στην εργασία, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, περιγράφεται πώς συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε ένα υπερ-υψηλής ποιότητας υπερπλέγματος γραφενίου με ένα αναθεωρημένο πλαίσιο για τα φράκταλ χαρακτηριστικά της πεταλούδας του Hofstadter. Αυτά που κατέστησαν το έργο δυνατό είναι οι βασικές βελτιώσεις τόσο στην συσκευή κατασκευής του γραφενίου όσο και στις τεχνικές μέτρησης.

Όπως αναφέρεται, αυτά τα φερμιόνια Brown-Zak ορίζουν νέες μεταλλικές καταστάσεις οι οποίες είναι γενικές σε κάθε σύστημα υπερπλέγματος, όχι μόνο στο γραφένιο, και προσφέρουν έναν χώρο για νέα προβλήματα φυσικής συμπυκνωμένης ύλης σε άλλα δισδιάστατα υλικά υπεπλέγματα. Τα ευρήματα της ομάδας είναι σημαντικά, τόσο για τις θεμελιώσεις σπουδές στην μετακίνηση του ηλεκτρονίου, όσο και επειδή θεωρείται ότι η κατανόηση των οιονεί σωματίων σε καινούριες συσκευές υπερπλέγματος κάτω από υψηλά μαγνητικά πεδία μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων ηλεκτρονικών συσκευών.

Πηγή: University of Manchester

Περισσότερα στη δημοσίευση: Long-range ballistic transport of Brown-Zak fermions in graphene superlattices. Nature Communications.