Физики обнаружили неожиданный квантовый эффект в двухслойном графене
Физики из техасского университета впервые обнаружили в двухслойном графене такое редкое физическое явление, как квантовый аномальный эффект Холла. До этого его наблюдали только в материалах более сложной структуры, чем графен. Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Квантовый эффект Холла — макроскопическое явление, состоящее в том, что поперечное сопротивление в материале меняется ступенчато. Он наблюдается в двумерных электронных системах при низких температурах в присутствии сильных магнитных полей. Однако двумерная система способна спонтанно генерировать собственное магнитное поле в отсутствие внешних полей — к примеру, посредством орбитального ферромагнетизма, происходящего вследствие взаимодействия электронов. Такое поведение называют аномальным квантовым эффектом Холла.
По словам Фань Чжана, одного из авторов исследования, адъюнкт-профессора физики из Школы естественных наук и математики, ранее аномальный квантовый эффект Холла изучали в материалах сложного строения. Текущий же материал, встречающийся в естественных условиях, относительно прост — он состоит из двух слоёв одномерного материала.
Доктор Томас Вейц, другой автор исследования, профессор Гёттингенского университета, сказал, что обнаруженный эффект оказался неожиданным. Никто не предполагал, что углерод продемонстрирует магнитные или сегнетоэлектрические свойства, однако в эксперименте наблюдались данные, подтверждающие оба этих явления.
Фань Чжан ещё в 2011 году предсказывал в своей теоретической работе, что у двухслойного графена должно быть пять конкурентных семейств основных состояний — стабильных состояний материала, в которые он переходит при температуре, близкой к абсолютному нулю. Эти состояния определяются взаимодействием электронов, подчиняющихся законам квантовой механики и квантовой статистики. Четыре из них уже наблюдались ранее. Аномальный квантовый эффект Холла — пятое и самое сложное для наблюдения из них.
В эксперименте учёные наблюдали восемь различных состояний из этого пятого семейства, одновременно демонстрировавших аномальный квантовый эффект Холла, ферромагнетизм и сегнетоэлектричество одновременно.
Также учёные показали, что могут по необходимости выбирать любое из восьми состояний, управляя внешними электрическими и магнитными полями. Подобная способность точно управлять электронными свойствами двухслойного графена потенциально может пригодиться для проектов, требующих малого рассеивания квантовой информации.
Хотя сами физики признаются, что их в первую очередь интересует «демонстрация красоты фундаментальной физики». То, что у них получилось объединить в одном материале с очень простой структурой аномальный квантовый эффект Холла, ферромагнетизм и сегнетоэлектричество одновременно, они считают удивительным и беспрецедентным достижением.
