Sciencemag.cz
Doporučujeme
V kvantovom svete sa atómy ‚trasú‘ a nútia grafén, aby sa zvlnil, a to aj bez akéhokoľvek tepelného pohybu.
Významné výsledky fyzikov z Univerzity Komenského v Bratislave o štruktúre kvantového grafénu zverejnil začiatkom apríla vedecký časopis Physical Review B v sekcii Rapid Communications. Publikujú tu vysoko originálne výsledky v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Článok bol tiež vybraný ako jeden z tipov vydavateľov (Editors’ Suggestion). Jeho autormi sú Juraj Hašík a Roman Martoňák z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK (FMFI UK) a taliansky fyzik Erio Tosatti z Medzinárodnej školy pre pokročilé štúdiá v Terste (SISSA).
Grafén predstavuje najtenšiu možnú vrstvu uhlíka, ktorej hrúbka je práve jeden atóm. Najjednoduchšie sa zobrazuje ako drôtené pletivo uhlíkových atómov usporiadaných do pravidelných šesťuholníkov. Tento fascinujúci systém je v poslednom desaťročí predmetom značného záujmu teoretických i experimentálnych fyzikov aj materiálových vedcov. Jeho objav priniesol novú paradigmu dvojrozmerných materiálov a bol v roku 2010 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Vďaka svojim zaujímavým elektronickým a iným vlastnostiam sú grafén a ďalšie podobné jednovrstvové materiály, ako napr. disulfid molybdénu či fosforén, považované za perspektívne materiály pre široké spektrum rôznych aplikácií, napr. elektroniku, senzory, displeje, uskladnenie energie atď.
„2D materiály sú veľmi odlišné od bežných 3D kryštálov, pretože nevypĺňajú priestor, ale predstavujú veľmi tenkú membránu. Tepelný pohyb atómov pri ľubovoľnej teplote spôsobí, že membrána nie je rovná, ale zvlnená, a to tým viac, čím vyššia je teplota. Grafén preto nikdy nie je úplne plochý, bez vĺn, pretože na to, aby sme sa zbavili tepelného pohybu, museli by sme ho ochladiť na absolútnu nulovú teplotu a to, ako vieme, sa nedá,“ vysvetľuje prof. Ing. Roman Martoňák, DrSc., z Katedry experimentálnej fyziky FMFI UK.
Aj keby bolo možné tepelný pohyb eliminovať, atómy by sa ani pri nulovej teplote úplne nezastavili. Už približne sto rokov je totiž vedeckej komunite známe, že svet atómov sa neriadi klasickou fyzikou. „V mikrosvete platí kvantová mechanika a tá hovorí, že atómom nemožno zobrať takzvané nulové kmity. V klasickom svete by atóm zbavený tepelného pohybu ostal stáť na presne definovanom mieste a atómy v graféne by tvorili presné pravidelné šesťuholníky. V kvantovom svete sa však atómy ‚trasú‘ a nútia grafén, aby sa zvlnil, a to aj bez akéhokoľvek tepelného pohybu,“ ozrejmil fyzik z UK.
Mgr. Juraj Hašík, absolvent teoretickej fyziky na FMFI UK, vo svojej diplomovej práci z roku 2015 pod vedením prof. Martoňáka skúmal, ako tieto kvantové vlny v graféne vznikajú a či je možné ich merať. Pre grafén implementoval, naprogramoval a otestoval kvantovú Monte Carlo metódu, ktorá je založená na tzv. dráhových integráloch. Vo svojom výskume ďalej pokračoval aj počas doktorandského štúdia na Medzinárodnej škole pre pokročilé štúdiá v Terste, kde spolupracoval tiež s prof. Eriom Tosattim.
Pomocou rozsiahlych numerických simulácií, ktoré boli vykonané na superpočítači Aurel vo výpočtovom stredisku SAV, skúmal vzorku grafénu zhruba štvorcového tvaru s veľkosťou približne 11 nm. Podarilo sa ju ochladiť na teplotu 0,6 K (-272,6 °C), teda približne o rád nižšie, než dosiahli v podobných simuláciách v iných prácach v literatúre. Pri tejto teplote sa už daná vzorka správa úplne podľa kvantových zákonov.
Výpočty ukázali, že kvantové vlny sú úplne iné ako tie klasické. „Na dlhých vzdialenostiach sú slabšie, a preto membránu ‚nepokrčia‘. Na krátkych vzdialenostiach sú však silnejšie, a preto membránu lokálne ‚zdrsnia‘. Jednoducho povedané, kvantový grafén je pri veľmi nízkej teplote plochejší, ale zároveň drsnejší než ten klasický. Zaujímavým výsledkom je zistenie, že pri nízkych teplotách pod 50 K (-223,2 °C) majú odchýlky od strednej roviny membrány v dôsledku kvantového zvlnenia veľkosť asi 2 stupne. To je prekvapujúco veľká hodnota a predstavuje spektakulárny prejav kvantových nulových kmitov v makroskopickom objekte,“ priblížil význam výsledkov prof. Martoňák.
Túto hodnotu je možné experimentálne zmerať napríklad pomocou difrakcie elektrónov, pričom fyzici predpokladajú, že takýto experiment bude v dohľadnom čase realizovaný. Grafén tak ponúka vedcom jedinečný náhľad do mikrosveta, v ktorom môžu vidieť a oddeliť od seba tepelný pohyb a kvantové nulové kmity atómov uhlíka.
„O originalite výsledkov týkajúcich sa štruktúry kvantového grafénu svedčí aj ich publikovanie v prestížnom vedeckom časopise. Som presvedčený o potrebe spájania sa popredných vedeckých inštitúcií a špičkových vedcov i tímov na spoločných výskumných projektoch doma aj vo svete. Teší ma preto aj spolupráca našich vedcov s ich talianskym kolegom,“ zdôraznil prof. RNDr. Karol Mičieta, PhD., rektor Univerzity Komenského v Bratislave.
