Măsurători uimitoare ale entropiei relevă efecte exotice asupra „unghiului magic” al grafenului

Efectul Pomeranchuk asupra grafenului cu unghi magic, dezvăluind o tranziție exotică între două faze: o fază lichidă A (Fermi), unde pozițiile spațiale ale electronilor sunt dezordonate, dar momentele lor magnetice (săgețile) sunt perfect aliniate și o fază similară cu un solid unde electronii sunt ordonați în spațiu, dar momentele lor magnetice fluctuează liber. Contraintuitiv, faza lichidă se transformă într-o fază solidă atunci când este încălzită. Credit: Institutul de Științe Weizmann

Cercetătorii de la Weizmann Institute of Science și Massachusetts Institute of Technology descoperă o tranziție de fază surprinzătoare în stratul bistrat împletit grafic.

Majoritatea materialelor trec de la solid la lichid atunci când sunt încălzite. Un contraexemplu rar este heliul-3, care se poate solidifica la încălzire. Acest efect contraintuitiv și exotic, cunoscut sub numele de efect Pomeranchuk, poate că și-a găsit analogul electronic într-un material cunoscut sub numele de grafen cu unghi magic, potrivit unei echipe de cercetători de la Institutul de Științe Weizmann condus de profesorul Shahal Ilani. Grupul profesorului Pablo Jarillo-Herrero la Institutul de Tehnologie din Massachusetts (CU).

Acest rezultat, publicat astăzi (7 aprilie 2021) a Natură, se realizează prin prima măsurare a entropiei electronice într-un material bidimensional subțire atomic. “Entropia descrie nivelul perturbării unui material și determină care dintre fazele sale este stabilă la diferite temperaturi”, explică Ilani. „Echipa noastră a fost înființată pentru a măsura entropia electronică în grafen cu unghi magic pentru a rezolva unele dintre misterele sale remarcabile, dar a descoperit o altă surpriză”.

Entropie magnetică uriașă

Entropia este o cantitate fizică de bază care nu este ușor de înțeles sau măsurat direct. La temperaturi scăzute, cele mai multe grade de libertate ale unui material conductor îngheață și numai electronii contribuie la entropie. În materialele în vrac, există o abundență de electroni și, prin urmare, este posibil să se măsoare capacitatea lor de căldură și, prin urmare, entropia. Într-un material bidimensional subțire atomic, datorită numărului mic de electroni, această măsurare devine extrem de dificilă. Până în prezent, niciun experiment nu a reușit să măsoare entropia în aceste sisteme.

Pentru a măsura entropia, echipa lui Weizmann a folosit un singur microscop de scanare format dintr-un tranzistor al unui electron de nanotub de carbon situat la marginea unei sonde de scanare în consolă. Acest instrument poate imagina spațial potențialul electrostatic produs de electroni într-un material, cu o sensibilitate fără precedent. Pe baza relațiilor Maxwell care conectează diferitele proprietăți termodinamice ale unui material, aceste măsurători electrostatice pot fi utilizate pentru a testa direct entropia electronilor.

“Când am efectuat măsurătorile la câmpuri magnetice ridicate, entropia părea absolut normală, urmând comportamentul așteptat al unui lichid convențional (Fermi) de electroni, care este cea mai standardă stare în care există electroni la temperaturi scăzute. Surprinzător” Dar la un câmp magnetic zero, electronii aveau un exces de entropie gigantică, a cărei prezență era foarte misterioasă “, spune Ilani. Această entropie uriașă a apărut atunci când numărul de electroni din sistem a fost de aproximativ unul. pentru fiecare loc al„ rețelei ”artificiale format din grafen cu unghi magic.

„Super-rețea” artificială în straturi răsucite de grafen

Grafenul este un atom cristal gros de atomi de carbon dispuși într-o rețea hexagonală. Când două foi de grafen sunt așezate una peste cealaltă cu un unghi mic, special sau „magic” de nealiniere, apare un model moire periodic care acționează ca o „rețea” artificială a electronilor materialului. Modelele Moiré sunt un efect popular asupra țesăturilor și apar acolo unde o plasă acoperă alta la un unghi ușor.

În grafenul cu unghi magic, electronii au patru arome: întoarceți-vă „în sus” sau întoarceți-vă și două „văi”. Astfel, fiecare sit moire poate conține până la patru electroni, unul din fiecare aromă.

Cercetătorii știau deja că acest sistem se comportă ca un simplu izolator atunci când toate siturile moire sunt complet pline (patru electroni pe sit). Cu toate acestea, în 2018, profesorul Jarillo-Herrero și colegii săi au fost surprinși să descopere că poate fi izolant în alte umpluturi întregi (doi sau trei electroni pe loc moire), ceea ce ar putea fi explicat doar dacă se formează o stare corelată de electroni. Cu toate acestea, în apropierea unei umpleri de electroni per sit moire, marea majoritate a măsurătorilor de transport au indicat faptul că sistemul este destul de simplu și se comportă ca un metal normal. Exact acolo unde măsurătorile entropiei echipei Weizmann-MIT au găsit cele mai surprinzătoare rezultate.

„Spre deosebire de comportamentul observat în transportul din apropierea unui material de umplutură de electroni de către situl moire, care este destul de simplu, măsurătorile noastre au indicat că termodinamic, cea mai dramatică tranziție de fază are loc în acest material de umplutură”, spune dr. Asaf Rozen, autorul principal al acestei lucrări. . „Ne-am dat seama că în apropierea acestei umpluturi, atunci când încălzim materialul, un lichid Fermi destul de convențional se transformă într-un metal corelat cu o entropie magnetică gigantică. Această entropie gigantică (de aproximativ 1 constantă Boltzmann per constantă de rețea) ar putea fi explicată numai dacă fiecare sit moire are un grad de libertate care este total liber să fluctueze. “

Un analog electronic al efectului Pomeranchuk

„Acest exces neobișnuit de entropie ne-a amintit de un efect exotic care a fost descoperit acum aproximativ 70 de ani în heliu-3”, spune profesorul Erez Berg, teoreticianul lui Weizmann. „Majoritatea materialelor, când sunt încălzite, sunt transformate dintr-un solid într-un lichid. Acest lucru se datorează faptului că un lichid are întotdeauna mai multă entropie decât solidul, deoarece atomii se mișcă mai neregulat în lichid decât în ​​solid. “Cu toate acestea, în heliu-3, într-o mică parte a diagramei de fază, materialul se comportă într-un mod complet opus, iar cea mai ridicată fază de temperatură este cea solidă. Acest comportament, prezis de fizicianul teoretic sovietic Isaak Pomeranchuk în anii 1950, poate se explică doar prin existența unei alte surse de entropie „ascunsă” în sistem. În cazul heliului-3, această entropie provine din rotiri nucleare care se rotesc liber. „Fiecare atom are o rotație în miez (o„ săgeată ”care poate indica în orice direcție) “, explică Berg.” În heliu-3 lichid, datorită principiului de excludere al lui Pauli, exact jumătate din viraje ar trebui să fie orientate în sus și jumătate trebuie să arate în jos, astfel încât rotirile să nu se poată roti liber. În faza solidă cu toate acestea, atomii sunt localizați și nu se apropie niciodată unul de celălalt, astfel încât rotirile lor nucleare să se poată roti liber ”.

„Excesul de entropie uriașă pe care l-am observat într-o stare corelată cu un sitem de electron pe moire este similar cu entropia în heliu-3 solid, dar în loc de atomi nucleari și rotiri, în cazul unghiului grafen magic avem electroni și răsuciri electronice (sau momente magnetice din vale) ”, spune el.

Diagrama fazei magnetice

Pentru a stabili în continuare relația cu efectul Pomeranchuk, echipa a efectuat măsurători detaliate ale diagramei de fază. Acest lucru a fost realizat prin măsurarea „compresibilității” electronilor sistemului, adică cât de dificil este să strângeți electroni suplimentari într-un anumit loc de rețea (această măsurare a fost demonstrată în grafenul cu două straturi răsucite în lucrările anterioare ale echipei).). Această măsurare a dezvăluit două faze diferite separate de o scădere bruscă a compresibilității: o fază electronică cu entropie scăzută, asemănătoare unui lichid și o fază solidă cu entropie ridicată, cu momente magnetice libere. După scăderea compresibilității, cercetătorii au trasat granița dintre cele două faze în funcție de temperatură și câmp magnetic, arătând că granița fazei se comportă exact așa cum se aștepta din efectul Pomerachuk.

„Acest nou rezultat ne provoacă înțelegerea graficului cu unghi magic”, spune Berg. „Ne-am imaginat că fazele acestui material erau simple, erau deja conductive sau izolante și am sperat că la astfel de temperaturi scăzute se vor congela toate fluctuațiile electronice. Nu este cazul, așa cum demonstrează entropia magnetică gigantică.

„Noile descoperiri vor oferi noi perspective asupra fizicii sistemelor electronice puternic corelate și pot chiar ajuta la explicarea modului în care aceste viraje fluctuante afectează supraconductivitatea”, adaugă el.

Cercetătorii recunosc că încă nu știu cum să explice efectul Pomeranchuk asupra grafenului cu unghi magic. Este exact la fel ca în heliu-3 în care electronii din faza solidă sunt la o distanță mare unul de celălalt, permițând momentelor lor magnetice să rămână complet liberi? „Nu suntem siguri”, recunoaște Ilani, „deoarece faza pe care am observat-o are o„ personalitate scuipată ”: unele dintre proprietățile sale sunt asociate cu electroni călători, în timp ce altele sunt explicate doar prin gândul că electronii sunt localizați într-o rețea.

Referință: „Dovezi entropice ale unui efect Pomeranchuk în unghiul magic grafen” de Asaf Rozen, Jeong Min Park, Uri Zondiner, Yuan Cao, Daniel Rodan-Legrain, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Yuval Oreg, Ady Stern, Erez Berg, Pablo Jarillo -Herrero și Shahal Ilani, 7 aprilie 2021, Natură.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03319-3

Cercetarea profesorului Shahal Ilani este susținută de programul Sagol Weizmann-MIT Bridge; Premiul André Deloro pentru cercetare științifică; premiul de cercetare Rosa și Emilio Segre; și Leona M. și Harry B. Helmsley Charitable Trust.

Cercetările profesorului Erez Berg au sprijinul lui Irving și Cherna Moskowitz.

Cercetarea profesorului Yuval Oreg este susținută de catedra de fizică experimentală a Lady Davis. Profesorul Oreg este șeful Centrului de Nanofizică Maurice și Gabriella Goldschleger.

Cercetarea profesorului Ady Stern este susținută de Veronika A. Rabl Physical Discretionary Fund și Zuckerman STEM Leadership Program.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.