Новый подход использования двухмерного углеродного материала открывает неожиданные свойства и развивает новые способы его применения.

Графен стал универсальным материалом, стимулирующим армии исследований по изучению новых возможностей двухмерной решетки из чистого углерода. Новые исследования Массачусетского технологического института нашли дополнительные возможности для материала, раскрывая неожиданные свойства, которые отображаются в некоторых экстремальных ситуациях - свойства, которые делают графен подходящим для экзотических применений, таких как квантовые вычисления.

Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале: «Природа», в статье профессоров Пабло Жарилло- Херерро и Рея Ашури, стажерами Андрэ Янгом и Бен Хантом, выпускником Жавиером Санчез-Ямагуши и другими.

Под чрезвычайно мощным магнитным полем и его низкой температурой, исследователи выявили, что графен может эффективно фильтровать электроны в соответствии с направлением их вращения, то, что не могло быть сделано любой обычной электронной системой.

Под обычными условиями листы графена ведут себя как обычные проводники: подают напряжение, в результате чего, ток протекает по двухмерному потоку. Если включить магнитное поле перпендикулярно потоку графена, ситуация изменится: ток будет течь только по краю, в то время, как основная часть остается изолирующей. Кроме того, этот ток протекает только в направлении по часовой стрелке или против нее, это зависит от ориентации магнитного поля - явление, известное как квантовый эффект Холла.

В новых работах, исследователи заметили, что если они применяют второе мощное магнитное поле - в этот раз в той же плоскости - потоке графена, поведение материала меняется снова: электроны могут двигаться вокруг проводящего края в любом направлении.
«Мы создали необычный вид проводника вдоль края - сказал Янг, стажер факультета физики Массачусетского технологического института и ведущий редактор газеты, - фактически одномерный провод». Сегрегация электронов согласно вращению - обычная особенность топологических изоляторов, но графен не является обычным изолятором. Мы получаем тот же эффект в совершенно другой материальной системе.

Более того, путем изменения магнитного поля, мы можем «включать и выключать края» - говорит Янг. «Эта возможность коммутации означает, в принципе, что мы можем сделать схемы и транзисторы по ним, - уверяет Янг, который не был раньше реализован в обычных топологических изоляторах».

Существует еще одно преимущество селективности. Янг говорит: «Оно предотвращает явление, называемое обратное рассеивание, которое может нарушить движение электронов». В результате несовершенства, которое обычно разрушает электронное свойство материала, оно имеет небольшой эффект - даже если края грязные, электроны передаются по этому краю почти идеально.
Жарилло Херерро - доцент кафедры физики говорит, что поведение графена было предсказано, но его никогда не видели. В этой работе в первый раз такое селективное поведение было продемонстрировано на одном листе графена, а также впервые была продемонстрирована способность «перехода между двумя режимами».

В конечном итоге, это может привести к новому способу создания, своего рода, квантового компьютера. Это то, что исследователи пытались сделать на протяжении десятилетий, но безуспешно. «Из-за необходимых экстремальных условий, - говорит Янг, - это была бы очень специализированная машина, которую могли бы использовать только для решений приоритетных задач в национальных лабораториях».

Ашури, профессор физики, указывает на то, что недавно обнаруженные краевые состояния имеют ряд удивительных свойств. Например, золото. Хотя золото является исключительным электрическим проводником, когда мазки золота добавляются к краям графена, это вызывает увеличение электрического сопротивления. Золотые мазки позволяют электронам обратно рассеиваться в противоположном направлении путем смешивания электрических вращений. Чем больше добавляется золота, тем сильнее становится сопротивление.

Это исследование представляет собой новое направление в топологических изоляторах. Янг говорит: «Мы, действительно, не знаем к чему это может привести, но это помогает нашему мышлению думать о тех электрических устройствах, которые мы могли бы сделать».

По словам Жарилло- Херерро, эксперименты требуют использование магнитного поля с напряжением 35 Тл- примерно, в 10 раз больше, чем в машинах МРТ и температурой всего 0,3 по Цельсию выше нуля. Тем не менее, команда уже проводит исследования по наблюдению за подобным эффектом магнитного поля, только с напряжением в 1 Тл - по аналогии с кухонным магнитом и при более высоких температурах.

Филипп Ким, профессор физики в Колумбийском университете, который участвовал в этой работе, говорит: «Авторы продемонстрировали отличную квантовую проходимость, как и предсказывалось в теории». Он добавляет, что это очень хорошая работа, которая может соединить физику топологических изоляторов с физикой взаимодействия графена. Эта работа является доступным примером того, как две темы конденсированных сред в физике связаны друг с другом.

В команду, также входит младший сотрудник Массачусетского технического института - Санг Хун Чой, Кенжи Ватанабе и Такаши Танигуши из Национального института материаловедения в Цукубе, Японии. Работа выполнена при поддержке грантов от Министерства энергетики США, фонда Гордона и Бетти Мур, Национального научного фонда, а также использовались оборудования Национальной высшей магнитной лаборатории.



Дэвид Л. Чандлер, Массачусеттский технологический институт