Двухслойный графен получил свойства полупроводника после поворота и растяжения слоев
Французские физики разработали способ управления электронными свойствами из «скрученного» двухслойного графена, предложив независимо растягивать каждый из слоев в разориентированной структуре. Это позволяет, в частности, отойти от традиционной для графена линейной структуры электронных зон и получить области с плоскими запрещенными зонами, пишут ученые в статье в Physical Review Letters.
Один из распространенных методов управления электронными свойствами графена — создание двухслойных структур, в которых один слой связан с другим с помощью вандерваальсовых сил. Такая двухслойная система обладает важным преимуществом по сравнению с обычным однослойным графеном — в ней слои можно поворачивать друг относительно друга. Этот поворот приводит к образованию гексагональных муаровых структур — двумерных узоров, в которых из-за разориентированности между собой двух слоев у решетки появляется дополнительный период, в несколько раз превосходящий период атомарной графеновой ячейки.
В такой системе происходит чередование разного типа выравнивания двух слоев друг относительно друга — атом верхнего слоя графена может находиться либо над атомом нижнего слоя, либо над «ямкой» между двумя атомами. Разные типы выравнивания по-разному влияют на структуру энергетических зон материала и, таким образом, меняя угол поворота, можно управлять электронными свойствами материала.
Французские физики под руководством Венсана Ренара (Vincent T. Renard) из Университета Гренобль-Альп исследовали еще один метод управления электронными свойствами двухслойного графена: ученые предложили не просто поворачивать один слой относительно другого, но при этом еще и слегка растягивать слои независимо друг от друга, в результате чего между периодами их кристаллических решеток появляется небольшие отличие.
В своей работе физики использовали методику, с помощью которой можно деформировать вдоль одного из главных направлений решетки каждый из слоев двухслойного графена, которые повернуты относительно друг друга на 1,25 градуса. Величина деформации в эксперименте не превышала нескольких десятых долей процента. Авторы работы отмечают, что растягивать слои независимо друг от друга в двухслойном графене возможно благодаря тому, что они связаны между собой не ковалентной связью, а за счет относительно слабого вандерваальсового взаимодействия. Как и в случае недеформированного двухслойного графена, в образованной структуре чередуются зоны правильного выравнивания двух слоев и зоны, в которых слои смещены друг относительно друга на полпериода, однако такие зоны образуют не гексагональную решетку, а более сложную.
С помощью сканирующей туннельной микроскопии и рамановской спектроскопии физики изучили, как при таком растяжении изменяется пространственная и электронная структура двухслойного графена и подтвердили полученные данные с помощью теоретических расчетов. Оказалось, что с помощью предложенной методики можно привести к превращению структуры дираковских конусов (с линейной связью между энергией и импульсом электрона и нулевой запрещенной зоной), характерной для однослойного графена, в значительно более сложную структуру. Исследователи отмечают, что в полученной структуре встречаются как области, характерные для недеформированной муаровой двухслойной структуры, так и новые элементы. В частности, в ней присутствуют области с плоской запрещенной зоной шириной около 100 миллиэлектронвольт.
По словам физиков, для описания исследованных ими структур требуется более подробное теоретическое изучение, однако полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования предложенной методики для управления электронными свойствами графеновых материалов в наноэлектронных устройствах.
Возможность изменения взаимной ориентации слоев в графеновых структурах — важный инструмент управления электронными свойствами не только двухслойного, но и трехслойного графена. Например, недавно ученые предложили метод получения трехслойного графена с нужным порядком слоев, что позволяет получать в графене электронные зоны с нужной формой и известной шириной запрещенной зоны.
Александр Дубов
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.