Обнаружены необычные свойства поведения электронов в графене, пока теоретически.

Графен – двумерный материал, состоящий из атомов углерода, уложенных в шестиугольную решетку. Если посмотреть на грифель карандаша под мощным микроскопом, то можно увидеть, что он имеет слоистую структуру, где каждый слой и есть графен. Его высокая электрическая проводимость наряду с хорошей теплопроводностью и прочностью делает этот материал очень перспективным для применения в наноэлектронике. Хотя теоретически его изучают с 1947 года, а экспериментально с 2004 года, полного понимания его свойств так и не достигнуто.

Идеальная кристаллическая решетка графена.

Носителями заряда в графене служат не просто обычные отдельные электроны, как в металле, а их группы, в которых поведение электронов взаимосвязано и определяется их взаимодействием между собой и с ионами кристаллической решётки. Поведение такой группы электронов похоже на поведение особой заряженной частицы. Физики называют подобные объекты квазичастицами (приставка «квази» означает «нечто вроде», «наподобие»).

Такая квазичастица при учёте зарядов ионов имеет электрический заряд, равный заряду электрона, но сильно отличается от него по другим свойствам. Например, два свободных электрона всегда отталкиваются, а между двумя квазичастицами может возникать эффективное притяжение. Они даже могут образовать своего рода «атом», состоящий из двух электрически одинаково заряженных квазичастиц. Физики называют это локализованным состоянием квазичастиц, то есть их нахождением в ограниченной области – локации. Квазичастицы также имеют другую по сравнению со свободным электроном зависимость энергии от импульса (спектр).

Сотрудники теоретического отдела Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) обнаружили новые весьма необычные свойства взаимодействия электронов в графене, которые могут пролить свет на некоторые из свойств самого графена. Об этом они рассказали в статьях, опубликованных в журналах «Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures» и «Physical Review B».

При абсолютном нуле температуры заряженные квазичастицы занимают все состояния с энергиями ниже некоторой. Эта максимальная энергия называется энергией Ферми. Исследователи рассмотрели две квазичастицы, имеющие энергии выше энергии Ферми, и обнаружили, что они способны образовать локальные состояния двух видов. Первый такой «атом» возникает в процессе рассеяния одной квазичастицы на другой. Взаимодействие этих квазичастиц между собой и время жизни состояния зависит от разницы между их энергией и энергией Ферми. Чем больше эта разница – тем больше время жизни. Во втором случае время жизни локализованного состояния формально – бесконечно, но пока неясен способ его рождения.

По материалам ИЯФ СО РАН