«Магический» двухслойный графен оказался странным металлом
В двухслойном графене с поворотом на «магический» угол обнаружили редкую линейную зависимость электрического сопротивления от температуры вблизи абсолютного нуля. Эта особенность роднит двухслойный графен с необычным классом веществ под названием странные металлы. К нему, например, относятся купраты, в числе которых рекордсмены по температуре сверхпроводимости при нормальном давлении, а также рутенаты, пниктиды и некоторые другие материалы. Открытие подтверждает наличие нового фундаментального механизма переноса заряда и тепла в таких соединениях, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, представляющая собой расположенные в виде шестиугольников атомы, объединенные в листы атомарной толщины. Графен обладает множеством необычных свойств, которые потенциально применимы в науке и технологиях. Однако ученые продолжают открывать новые необычные характеристики этого материала.
Одним из важных открытий последних двух лет стало обнаружение сверхпроводимости в двухслойном графене. Поворот листов на небольшой угол создает периодическую муаровую шестиугольную сверхрешетку с намного большим периодом, чем у самого графена. Если угол принимает одно из «магических» значений, наименьшее из которых близко к 1,1 градусу, то при низких температурах вещество переходит в сверхпроводящее состояние. Детальные исследования показали, что такой графен по некоторым свойствам, в частности, фазовой диаграммой, похож на купраты — соединения, с открытием которых появился термин высокотемпературная сверхпроводимость.
Пабло Харильо-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского технологического института и его коллеги из США и Японии обнаружили еще один признак, который роднит повернутый на «магический» угол двухслойных графен с купратами: наличие фазы странного металла с линейной зависимостью сопротивления от температуры вблизи абсолютного нуля. Такая закономерность не наблюдается у обычных металлов, у которых, как правило, после сверхпроводящей фазы происходит резкий рост сопротивления. Более того, на данный момент нет полноценного теоретического объяснения этому феномену.
Долгое время электронный транспорт в металлах успешно описывался сформулированной в 1900 году теорией Друде, которая связывает проводимость с плотностью рассматриваемых как газ электронов, их массой и средним временем между рассеяниями на ионах τ. С квантовыми поправками, заменившими массу реальных частиц на эффективную массу носителей заряда и связавшими время между рассеяниями при низких температурах пропорциональностью τ ∼ T-2, данная модель успешно описывала большинство экспериментальных данных вплоть до 1980-х годов.
Открытие купратов в 1986 году продемонстрировало ограниченность теории, которая не смогла объяснить наблюдавшуюся в них фазу странного металла с линейной зависимостью сопротивления от температуры. Такое поведение предполагает, что время между рассеяниями обратно пропорционально первой степени температуры, а не квадрату, как в модели Друде. Открытие фазы странного металла у двухслойного графена дополнительно свидетельствует о необходимости разработки нового теоретического подхода к явлениям переноса и говорит о возможности существования такой фазы во множестве различных систем.
Если вычислить по формуле Друде время между рассеяниями в странных металлах (что с теоретической точки зрения плохо обосновано), то получается выражение τ = Cℏ∕kT, где ℏ — постоянная Планка, T — температура, k — постоянная Больцмана, а C — числовой коэффициент пропорциональности. Считается, что темп рассеяний должен быть связан с силой межэлектронных взаимодействий (которые полностью игнорируются в оригинальной модели Друде), а они сильно отличаются в различных странных металлах.
Однако наблюдения демонстрируют, что коэффициент C близок к единице у самых разнообразных странных металлов и, как оказывается, у двухслойного графена также: в новой работе измеренные значения C попали в диапазон от 1,1 до 1,6. Эта универсальность наводит теоретиков на мысль о наличии нового фундаментального механизма явлений переноса в странных металлах. Эту ситуацию ученые связывают с планковской диссипацией (Planckian dissipation), то есть состоянием квантовой запутанности многих электронов, в котором достигается максимальная разрешенная законами физики скорость рассеяния энергии.
Двухслойный графен может оказаться удобной системой для продолжения экспериментов в данной области. Его основное преимущество заключается в возможности управления фактором заполнения сверхрешетки, то есть, фактически, плотностью носителей заряда, посредством приложения электрического напряжения, в то время как другие странные металлы необходимо изготавливать заново с другими примесями.
Ранее физики объяснили «магическую» сверхпроводимость двухслойного графена фононами, увидели в нем экситоны и превратили в аномальный магнит.
Тимур Кешелава
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.