Fyzici z MIT objevili nečekané krystaly elektronů v ultratenkém materiálu

Fyzici z MIT oznámili překvapivý objev krystalických struktur elektronů v materiálu o tloušťce pouhých miliardtiny metru. Tato práce rozšiřuje bohatou sbírku objevů pocházejících z tohoto materiálu, který tým objevil před pouhými třemi lety.

V článku publikovaném 22. ledna v časopise Nature (odkaz na článek) tým popisuje, jak se elektrony v zařízeních vyrobených z tohoto materiálu mohou za nízkých teplot (podobných teplotě vesmíru) a změnou aplikovaného napětí stát pevnými, neboli tvořit krystaly. Za stejných podmínek také ukázali vznik dvou nových elektronických stavů, které doplňují práci, kterou publikovali minulý rok a která ukazovala, že se elektrony mohou rozdělit na své zlomky.

Fyzici dokázali tyto objevy učinit díky novým, speciálně vyrobeným filtrům pro lepší izolaci zařízení používaných v práci. Ty jim umožnily ochladit zařízení na teplotu o řád nižší, než bylo dosaženo v předchozích výsledcích.

Tým pozoroval všechny tyto jevy ve dvou mírně odlišných „verzí“ nového materiálu: jedna se skládá z pěti vrstev atomárně tenkého uhlíku, druhá ze čtyř vrstev. To naznačuje, že „existuje skupina materiálů, kde lze pozorovat tento druh chování, což je vzrušující,“ říká Long Ju, asistent profesor na MIT fakultě fyziky, který vedl výzkum. Ju je také přidružen k MIT Materials Research Laboratory a Research Lab of Electronics.

O novém materiálu, známém jako romboedrický pětivrstvý grafen, Ju říká: „Objevili jsme zlatou žílu a každá lopatka odhaluje něco nového.“

Nový materiál

Romboedrický pětivrstvý grafen je v podstatě speciální formou grafitu ze tužky. Tuha, neboli grafit, se skládá z grafenu, jedné vrstvy atomů uhlíku uspořádaných v šestiúhelnících připomínajících strukturu včelí plástve. Romboedrický pětivrstvý grafen se skládá z pěti vrstev grafenu naskládaných v určitém překrývajícím se pořadí.

Od chvíle, kdy Ju a jeho kolegové materiál objevili, experimentovali s ním přidáváním vrstev jiného materiálu, o kterém si mysleli, že by mohl zvýraznit vlastnosti grafenu, nebo dokonce vytvořit nové jevy. Například v roce 2023 vytvořili sendvič z romboedrického pětivrstvého grafenu s „houskami“ z hexagonálního nitridu boritého. Aplikací různých napětí, nebo množství elektřiny, na sendvič objevili tři důležité vlastnosti, které se nikdy předtím v přírodním grafitu neobjevily.

Minulý rok Ju a jeho kolegové oznámili další důležitý a ještě překvapivější jev: Elektrony se po aplikaci proudu na nové zařízení složené z romboedrického pětivrstvého grafenu a hexagonálního nitridu boritého staly zlomky samých sebe. To je důležité, protože tento „zlomkový kvantový Hallov jev“ byl pozorován pouze v několika systémech, obvykle za velmi vysokých magnetických polí. Práce Ju ukázala, že tento jev se může objevit v poměrně jednoduchém materiálu bez magnetického pole. V důsledku toho se nazývá „zlomkový kvantový anomální Hallov jev“ (anomální indikuje, že není nutné magnetické pole).

Nové výsledky

V současné práci tým Ju hlásí ještě více nečekaných jevů z obecného systému romboedrického grafenu/nitridu boritého, když je ochlazen na 30 milikelvinů (1 milikelvin je ekvivalentní -273,15 °C). V loňském článku Ju a jeho kolegové uvedli šest zlomkových stavů elektronů. V současné práci uvádějí objev dalších dvou z těchto zlomkových stavů.

Také objevili další neobvyklý elektronický jev: celočíselný kvantový anomální Hallov jev v širokém rozsahu hustot elektronů. Zlomkový kvantový anomální Hallov jev byl chápán jako objevující se v „kapalné“ fázi elektronů, analogicky k vodě. Naproti tomu nový stav, který tým nyní pozoroval, lze interpretovat jako „pevnou“ fázi elektronů – podobnou tvorbě elektronového „ledu“ – která může také koexistovat se zlomkovými kvantovými anomálními Hallovými stavy, když je napětí systému pečlivě naladěno při ultranízkých teplotách.

Jeden způsob, jak si představit vztah mezi celočíselnými a zlomkovými stavy, je představit si mapu vytvořenou laděním elektrických napětí: Laděním systému s různými napětími můžete vytvořit „krajinu“ podobnou řece (která představuje kapalné, zlomkové stavy) prořezávající se ledovci (které představují pevný celočíselný efekt), vysvětluje Ju.

Ju poznamenává, že jeho tým pozoroval všechny tyto jevy nejen v pětivrstvém romboedrickém grafenu, ale také v romboedrickém grafenu složeném ze čtyř vrstev. To vytváří rodinu materiálů a naznačuje, že mohou existovat další „příbuzní“.

„Tato práce ukazuje, jak bohatý je tento materiál v projevování exotických jevů. Právě jsme přidali více chuti do tohoto již velmi zajímavého materiálu,“ říká Zhengguang Lu, spoluautor článku. Lu, který práci provedl jako postdoktorand na MIT, je nyní na fakultě Floridské státní univerzity.

Kromě Ju a Lu jsou dalšími hlavními autory článku v Nature Tonghang Han a Yuxuan Yao, oba z MIT. Lu, Han a Yao jsou spoluautory článku, kteří se na práci podíleli rovným dílem. Dalšími autory z MIT jsou Jixiang Yang, Junseok Se, Lihan Shi a Shenyong Ye. Dalšími členy týmu jsou Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národního institutu pro vědu o materiálech v Japonsku.

Tato práce byla podpořena Sloan Fellowship, Mathworks Fellowship, americkým ministerstvem energetiky, japonskou společností pro podporu vědy KAKENHI a světovou iniciativou pro mezinárodní výzkum v Japonsku. Výroba zařízení byla provedena v Harvardově centru pro nanosystémy a MIT.nano.