Скрученный графен превратили в аномальный магнит
В экспериментах с зажатым между листами нитрида бора скрученным двухслойным графеном удалось наблюдать переход вещества в магнитное состояние. Полученное свойство было подтверждено наличием аномального эффекта Холла и магнитного гистерезиса. В данном случае за это отвечает редкое явление — орбитальный ферромагнетизм, пишут ученые в журнале Science.
Графен — это одна из аллотропных модификаций чистого углерода, которая представляет собой плоские кристаллы с шестиугольной структурой. Это вещество обладает рекордными или экзотическими свойствами сразу в нескольких категориях, из-за чего его активно исследуют как с точки зрения фундаментальных физических свойств, так и в плане применимости в технологиях.
Несколько лет назад физики обнаружили, что в двухслойном графене при повороте слоев на «магический угол» друг относительно друга возникает сверхпроводимость. Это открытие вызвало всплеск интереса к скрученному графену и его свойствам. С физической точки зрения это явление в первую очередь связано с возникновением сверхрешетки, то есть повторяющегося муарового узора, в узлах которого шестиугольные ячейки графена из разных слоев находятся строго друг над другом, а между которыми — не совпадают.
Физики из США и Японии под руководством Дэвида Гольдхабер-Гордона (David Goldhaber-Gordon) из Стэнфордского университета изначально собирались воспроизвести полученные ранее другой группой результаты о сверхпроводимости двухслойного графена, но обнаружили принципиально новое явление. Оказалось, что при определенном уровне заполнения электронных энергетических зон наблюдался мощный эффект Холла — появление поперечной разности потенциалов при пропускании через вещество тока. Обычно этот эффект возникает в присутствии внешнего магнитного поля, но в этом случае разница потенциалов возникала без него. Получается, что ученые имели дело с аномальным эффектом Холла, а магнитное поле было присуще самому материалу, ферромагнитная природа которого была подтверждена наблюдением гистерезиса.
Обычный однослойный графен характеризуется линейным законом дисперсии электронов, то есть зависимостью энергии частиц от импульса. При этом каждая элементарная ячейка может содержать до двух электронов с разными спинами. Однако в скрученном двухслойном графене возникает плоская энергетическая зона, в которой частицы обладают эффективной нулевой энергией, движутся без взаимодействия друг с другом и узлами решетки, что и определят сверхпроводящие свойства. Каждая элементарная ячейка сверхрешетки может содержать уже до четырех электронов с парами разных спиновых и орбитальных состояний.
Теперь ученые выяснили, что заполнение зоны сверхрешетки на 3/4 обеспечивает возникновение магнетизма. Заполнение на три четверти в данном случае означает не то, что каждая из четырех зон заполнена на три четверти, а что организация электронов обеспечивает полное заполнение трех зон, оставляя четвертую полностью пустой. В таком случае электроны оказываются поляризованы как по спиновым, так и по орбитальным состояниям, что в результате приводит к возникновению мощного аномального эффекта Холла, что и было зафиксировано в экспериментах. Однако такой вид магнетизма весьма необычен, ведь в обычных ферромагнетиках (для которых не характерен аномальный эффект Холла) связанными являются только спины электронов, а в данном случае был зафиксирован редкий тип орбитального ферромагнетизма.
Дополнительные исследования показали, что такие большие изменения в свойствах вещества стали результатом всего двух небольших отличий в технологии изготовления. Во-первых, авторы развернули не только один из слоев графена, но и прикрепленный к нему с внешней стороны слой нитрида бора. Во-вторых, был выбран слегка больший угол закрутки — 1,2 градуса вместо 1,1.
Авторы отмечают, что графен и раньше делали магнитным, но до этого подобное достигалось за счет включения неоднородностей или наличия сильного взаимодействия с подложкой из магнитного материала, в то время как в новой работе это не так. Также, несмотря на то, что генерируемое таким графеном магнитное поле весьма мало, оно может найти применение, например, в области записи информации, ведь малое поле означает возможность очень плотного расположения магнитных битов, которые не будут влиять друг на друга.
Ранее ученые научились получать оксид графена без вреда для окружающей среды, открыли настраиваемую сверхпроводимость трехслойного графена, ускорили рост монокристаллов графена осаждением на жидкий металл и предложили удешевить его производство в сотни раз при помощи коры эвкалипта.
Тимур Кешелава
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.