U ultratankom materijalu otkriveni neočekivani kristali

Fizičari s MIT-a izvješćuju o neočekivanom otkriću elektrona koji tvore kristalne strukture u materijalu debljine samo milijarditog dijela metra.

U radu objavljenom u časopisu Nature, tim opisuje kako elektroni u uređajima materijala mogu postati čvrsti, ili formirati kristale, promjenom napona koji se primjenjuje na uređaje kada se drže na temperaturi sličnoj onoj u svemiru.

Pod istim uvjetima, također su pokazali pojavu dvaju novih elektroničkih stanja koja se nadovezuju na fenomen o kojem su izvijestili prošle godine pokazujući da se elektroni mogu podijeliti u dijelove samih sebe.

Fizičari su uspjeli doći do otkrića zahvaljujući novim posebno izrađenim filtrima za bolju izolaciju opreme uključene u rad. To im je omogućilo da ohlade svoje uređaje na temperaturu za red veličine nižu od one koju su postigli za ranije rezultate.

Tim je također promatrao sve te fenomene koristeći dvije malo različite "verzije" materijala, jednu sastavljenu od pet slojeva atomski tankog ugljika, a drugu od četiri sloja. "To ukazuje da postoji skupina materijala kod kojih možete postići ovakvo ponašanje, što je uzbudljivo", kaže Long Ju, docent na Odsjeku za fiziku MIT-a koji je vodio rad.

Romboedarski peteroslojni grafen je u biti poseban oblik grafita za olovke. Grafit se sastoji od grafena, jednog sloja ugljikovih atoma raspoređenih u šesterokute koji podsjećaju na strukturu pčelinjeg saća. Romboedarski petoslojni grafen sastoji se od pet slojeva grafena složenih u određenom redoslijedu koji se preklapaju.

Otkako su Ju i kolege otkrili materijal, petljali su s njim dodajući slojeve drugog materijala za koji su mislili da bi mogao naglasiti svojstva grafena ili čak proizvesti nove fenomene. Na primjer, 2023. godine stvorili su sendvič od romboedarskog petoslojnog grafena od heksagonalnog bor nitrida. Primjenom različitih napona, ili količina elektriciteta, otkrili su tri važna svojstva koja nikada prije nisu viđena kod prirodnog grafita.

Prošle su godine Ju i kolege izvijestili o još jednom važnom i još iznenađujućem fenomenu: elektroni su postali djelići sami sebe nakon primjene struje na novom uređaju sastavljenom od romboedarskog petoslojnog grafena i heksagonalnog borovog nitrida. Ovo je važno jer je ovaj "djelomični kvantniHallov efekt" viđen samo u nekoliko sustava, obično pod vrlo visokim magnetskim poljima. Rad Jua pokazao je da se fenomen može dogoditi u prilično jednostavnom materijalu bez magnetskog polja. Kao rezultat toga, to se naziva "frakcijski kvantni anomalni Hallov efekt" (anomalni označava da magnetsko polje nije potrebno).

U trenutnom radu, tim izvješćuje o još neočekivanim fenomenima iz općeg romboedarskog sustava grafen/bor nitrida kada se ohladi na 30 milikelvina (1 milikelvin je ekvivalentan -459,668 stupnjeva Fahrenheita).

Također su pronašli još jedan neobičan elektronički fenomen, cjelobrojni kvantni anomalni Hallov efekt u širokom rasponu gustoće elektrona. Smatralo se da se frakcijski kvantni anomalni Hallov efekt pojavljuje u "tekućoj" fazi elektrona. Nasuprot tome, novo stanje koje je tim sada uočio može se protumačiti kao "čvrsta" faza elektrona - koja nalikuje formiranju elektroničkog "leda", koja također može koegzistirati s frakcijskim kvantnim anomalnim Hallovim stanjima kada se napon sustava pažljivo podešava na ultra-niskim temperaturama.