Ученые обнаружили новый тип квазичастиц в графене, которые назвали фермионами Брауна-Зака. По своему поведению в магнитном поле они отличаются от дираковских фермионов, имеют высокую подвижность и длину свободного пробега, превышающую несколько микрометров. Работа опубликована в Nature communications.
Свободные электроны в магнитном поле подчиняются законам классической физики: если направление поля перпендикулярно направлению движения электрона, то его траектория закручивается и он начинает двигаться по окружности. Если проекция скорости электрона на направление магнитного поля не нулевая, то траектория частицы представляет собой спираль вдоль направления поля. Причем чем сильнее магнитное поле, тем сильнее в нем закручивается траектория электрона. Только при нулевых или очень слабых полях электроны могут двигаться по прямым или баллистическим траекториям.
Электроны в кристаллической решетке ведут себя немного сложнее, чем свободные, из-за наличия периодического потенциала самой решетки (его движение рассматривается как движение квазичастицы). При постоянном электрическом поле электрон (или любая другая частица) в твердом теле будут осциллировать, такие осцилляции называются осцилляциями Блоха. Наблюдать их можно, например в сверхрешетках — таких структурах, в которых помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный периодический потенциал с периодом больше постоянной решетки. Чаще всего для получения сверхрешеток соединяют два материала с разными постоянными решетки. В магнитном поле они демонстрируют сложный фрактальный спектр, который называют бабочкой Хофштадтера.
Группа ученых под руководством Александра Бердюгина (A. I. Berdyugin) из Университета Манчестера обнаружила в сверхрешетке графена с нитридом бора квазичастицы, которые двигаются по прямым траекториям даже при приложении ненулевого магнитного поля и обладают высокой подвижностью.
Физики исследовали сверхрешетки на основе монослоя графена, заключенного между слоями нитрида бора. С помощью электронно-лучевой литографии они получали структуры разной геометрии и размеров для проведения экспериментов. Для того чтобы изучить поведение частиц в графене они меняли магнитное поле и концентрацию носителей, что приводило к изменению продольной проводимости материала и давало информацию о строении электронных уровней. Кроме того, авторы следили за значением подвижности носителей заряда при разных температурах и значениях магнитного поля. Оказалось, что подвижности частиц могут достигать порядка миллиона см2 В-1 с-1, а длина свободного пробега составляет несколько микрометров при ненулевых значениях магнитного поля.
При определенных значениях магнитных полей фермионы Брауна-Зака ведут себя не как дираковские. Эти значения связаны с отношением магнитного потока к квантовому магнитному потоку, при котором восстанавливается трансляционная симметрия системы. Электронный спектр сверхрешетки в таком случае можно описывать в терминах блоховских состояний.
Сам спектр продольной проводимости имеет веерную структуру, которая позволяет различить уровни Ландау. Эти вееры расходятся от точек нейтральности графена и сингулярностей Ван Хова, что свойственно для сверхрешеток графена. Тем не менее некоторые мини-вееры демонстрировали аномальное поведение при низких температурах, которые не получается объяснить существующими теориями. Наличие аномальных изгибов может указывать на наличие электронных состояний, отличных от уровней Ландау. Поскольку электрон-электронные взаимодействия играют значительную роль в описанных экспериментах, они тоже могут быть причиной аномалий. Пока точного объяснения аномального поведения энергетических уровней, ученые продолжают их дальнейшее исследование.
Особенности свойств сверхрешеток на основе графена не только активно исследуют, но и ищут способы их контролировать. Например, ученые из США, Японии и Франции создали поворотную гетероструктуру для изменения свойств графена. А физики из Китая, США, Южной Кореи и Японии научились настраивать сверхпроводимость муаровой решетки из графена.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение