Невероятная линейка с точностью до уровня электрона.

Два двойных слоя графена, на которых исследуются некоторые экзотические свойства муарового квантового материала. На вставке слева представлен вид верхнего уровня части двух бислоев, показывающий муаровый узор, который образуется, когда один бислой скручивается под небольшим углом относительно другого. Источник.

В 2004 году Константин Новосёлов и Андрей Гейм, совершили открытие, придавшее науке значительное ускорение ‒ в результате одного из своих «вечерних пятничных экспериментов», когда они по обыкновению играли с новыми идеями, им удалось изолировать монослой углерода ‒ тот самый, нашумевший впоследствии графен. Его, практически прозрачный, имеющий атомную толщину, можно увидеть только при очень специфических условиях, и тот факт, что исследователи использовали именно обычную липкую ленту (скотч) в качестве подложки для снятия чешуек графита, стал большой удачей не столько для них (хоть они и получили за это Нобелевскую премию в 2010), сколько для всего научного сообщества. Этот простейший метод позволил рассмотреть графен посредством обычного микроскопа. Так в работе исследователей по всему миру возникло новое направление, не сбавляющее обороты и по сей день.  

Созданы монослои других материалов и делаются прогнозы о свойствах ещё не реализованных таких претендентов. А сам атомарный лист углерода всё изучается и изучается. Его свойства многократно увеличивают наши возможности, но всё может стать ещё интереснее, если сложить несколько листов.

Так, когда два или более лежащих друг над другом листа графена слегка смещены или свёрнуты относительно друг друга под определёнными углами, они приобретают множество экзотических особенностей. Например, в зависимости от угла закручивания эти материалы, известные как муаровая квантовая материя, могут внезапно начать генерировать собственные магнитные поля, становиться сверхпроводниками с нулевым электрическим сопротивлением или, наоборот, превращаться в идеальные изоляторы.

Международная команда учёных во главе с Джозефом А. Строшио из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали инструмент для измерения и исследования странных свойств этих искривлённых материалов. Эта своего рода «квантовая линейка» может привести к упрощению калибровки электроники, которая ранее отправлялась в лабораторию по стандартизации за пределами предприятия-изготовителя. Теперь же стало возможным создание нового миниатюрного стандарта электрического сопротивления, который позволит проводить эту процедуру непосредственно в заводских цехах.

Один из соавторов работы, физик Фереште Гахари из Университета Джорджа Мейсона в Фэрфаксе, взял двуслойный графен шириной около 20 микрометров и скрутил его относительно двух других слоёв, чтобы создать муаровое устройство с квантовой материей. Затем его коллеги из NIST, Марлоу Слот и Юлия Максименко, охладили это устройство из искривлённого материала до сотой градуса выше абсолютного нуля, что позволило уменьшить случайные движения атомов и повысить способность электронов к взаимодействию в материале. По достижении сверхнизких температур были сняты замеры с изменений энергетических уровней электронов в слоях графена при изменении напряжённости сильного внешнего магнитного поля. Всё это имеет решающее значение для проектирования и производства полупроводниковых устройств.

Для измерения уровней энергии команда использовала универсальный сканирующий туннельный микроскоп, который Строшио спроектировал и построил в NIST. Когда исследователи приложили напряжение к бислоям графена (тот самый двуслойный материал) в магнитном поле, микроскоп зафиксировал крошечный ток от электронов, которые «туннелировали» из материала к кончику зонда микроскопа.

Электроны движутся в магнитном поле по круговым траекториям, причём обычно круговые орбиты электронов в твёрдых материалах имеют особую связь с приложенным магнитным полем. Это случается потому, что площадь, охватываемая каждой круговой орбитой и умноженная на приложенное поле, может принимать только набор фиксированных дискретных значений вследствие квантовой природы самих электронов.

Чтобы сохранить эту фиксацию, с двукратным уменьшением магнитного поля вдвое же должна увеличиться и площадь, окружённая вращающимся электроном. А разницу в энергии между последовательными энергетическими уровнями, которые следуют этой схеме, можно использовать как отметки на линейке для измерения электронных и магнитных свойств материала. Таким образом любое незначительное отклонение от этой закономерности будет представлять собой новую квантовую шкалу, которая может отражать орбитальные магнитные свойства конкретного изучаемого квантового муарового материала.

Это увеличение одного из участков муара; квантовый материал изображает лестничные уровни энергии электронов (красные и синие точки справа). Фон лестницы энергии напоминает миллиметровую бумагу, что указывает на то, что измеренный уровень энергии можно использовать как своего рода квантовую линейку для определения электрических и магнитных свойств материала. Источник.

Фактически, изменение магнитного поля, приложенного к муаровым бислоям графена, доказывает действенность новой квантовой линейки. Площадь, заключённая круговой орбитой электронов, умноженная на приложенное магнитное поле, больше не равнялась фиксированной величине. Вместо этого произведение этих двух чисел сместилось на величину, зависящую от намагниченности бислоёв.

Это отклонение привело к набору различных отметок для энергетических уровней электронов. Результаты обещают пролить новый свет на то, как электроны, удерживаемые в скрученных листах графена, приобретают новые магнитные свойства.

«Используя новую квантовую линейку для изучения того, как круговые орбиты меняются в зависимости от магнитного поля, мы надеемся раскрыть тонкие магнитные свойства этих муаровых квантовых материалов», ‒ говорит Строшио.

В муаровых квантовых материалах электроны имеют некоторый диапазон возможных энергий, который можно представить в виде пиков и провалов, напоминающих форму яичных лотков. Эти диапазоны определяются электрическим полем материалов, но по большей части электроны концентрируются в нижних энергетических состояниях (или впадинах лотков). 

Физик-теоретик NIST Пол Хейни объясняет это так: «Большое расстояние между впадинами в бислоях, превышающее расстояние между атомами в любом отдельном слое графена или нескольких слоях, которые не скручены, объясняет некоторые необычные магнитные свойства, обнаруженные командой».

Электроны в квантовом муаре; материал захватывается электрическим потенциалом, имеющим форму яичного лотка; электроны концентрируются во впадинах как состояниях с более низкой энергией. Источник.

Поскольку оказывается, что свойства муаровой квантовой материи можно выбрать, задавая определённый угол закручивания и количество атомарно тонких слоёв, новые измерения обещают более глубокое понимание того, как можно адаптировать и оптимизировать магнитные и электронные свойства квантовых материалов для микроэлектроники и смежных областей. Например, раз уж сверхтонкие сверхпроводники являются чрезвычайно чувствительными детекторами одиночных фотонов, а квантово-муаровые сверхпроводники относятся к числу самых тонких, то, наверное, их управляемость окажется как нельзя кстати в этом вопросе.

Команда заинтересована также и в другом применении: при правильных условиях квантовая материя муара может стать новым, более простым в использовании стандартом электрического сопротивления.

Настоящий стандарт основан на дискретных значениях сопротивления, которые приобретает материал, когда к электронам в двумерном слое прикладывается сильное магнитное поле. Это явление, известное как квантовый эффект Холла, возникает из-за тех же квантованных энергетических уровней электронов на круговых орбитах, которые обсуждались выше. Дискретные значения сопротивления можно использовать для калибровки сопротивления в различных электрических устройствах, однако для этого необходимо мощное магнитное поле, так что калибровку можно проводить только в таких метрологических учреждениях, как NIST.

«Если же исследователи смогут манипулировать квантовым муаром так, чтобы он имел чистую намагниченность даже в отсутствие внешнего приложенного магнитного поля, ‒ говорит Строшио, ‒ то его потенциально можно было бы использовать для создания новой портативной версии наиболее точного эталона сопротивления, известного как аномальный квантовый стандарт сопротивления Холла. Калибровку электронных устройств можно будет выполнять на производственной площадке, что потенциально сэкономит миллионы долларов».

АРМК, по материалам NIST.