Sciencemag.cz
Doporučujeme
A jak to souvisí s Hofstadterovým motýlem?
Když grafenovou mřížku přesně zarovnáme na podklad s jinými speciálními vlastnostmi, nitrid bóru, dostaneme se k úplně nové fyzice. Právě to provedl tým University of Manchester, který vedli Andre Geim (spoluobjevitel grafenu a nositel Nobelovy ceny za fyziku) a Alexey Berdyugin.
Již dříve se na takto nastavené mřížce z grafenu podařilo pozorovat fraktál zvaný Hofstadterův motýl. Pojmenován je podle Doglase Hofstadtera, autora známé a i u nás vyšlé knihy Gödel, Escher, Bach. Jedná se o způsob, jak se elektrony mohou rozmístit ve 2D vrstvě za přítomnosti homogenního vnějšího magnetického pole. Spektrum vzniká za speciálních podmínek, elektrony mají být např. „neinteragující“ atd. Hofstadter provedl jako první znázornění příslušných rovnic pomocí počítačové grafiky (výsledek vyrenderoval); jeho motýl má, jak nás poučí anglická Wikipedie, např. vztah ke kvantovému Hallovu jevu i topologickým kvantovým číslům.
Nicméně zpět ke grafenu. Obecně se elektrony pohybují po přímce, v magnetickém poli se pak začnou zakřivovat. To platí i pro grafen. Ve variantě, kdy je grafenová vrstva přesně zarovnána na nitridu bóru, však existuje magnetické pole se speciální hodnotou intenzity, kdy pole na elektrony nepůsobí – pohybují se prostě dál přímo, jako kdyby žádné vnější pole neexistovalo. Konkrétně při magnetickém poli o intenzitě 16 T (půlmilionkrát víc, než má magnetické pole Země) se elektrony pohybovaly přímo až mikrometry. Autoři výzkumu tvrdí, že za tento jev mohou nové kvazišástice; mají výjimečnou pohyblivost a další speciální vlastnosti.
Kolektivně se chovající elektrony v grafenu byly až dosud považovány za Diracovy fermiony – kvazičástice v něčem připomínajícím fotony, jakoby bez efektivní hmotnosti. Od toho se odvozuje i obrovská rychlost pohybu elektronů v grafenu, které cestují bez rozptylu. Podle nové studie ale některé vlastnosti těchto kvazičástic ve vnějším magnetickém poli Diracovým fermionům neodpovídají. Mají spíš patřit mezi Brown-Zakovy fermiony. (Poznámka PH: tyto závěry se netýkají ovšem grafenu obecně, ale grafenu v magnetickém poli a navíc grafenu speciálního. Na druhé straně ale podobně mohou zřejmě fungovat i jiné materiály). Z hlediska mobility elektrického náboje by si oba typy kvazičástic měly být podobné, Brown-Zakovy fermiony ovšem mají mít např. i nové kvantové číslo, které má jít přímo měřit.
Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19604-0
Zdroj: University of Manchester / Phys.org
Poznámka PH: Chápu-li to dobře, kromě samotného teoretického přínosu jde v podstatě o to, že unikátní vlastnost grafenu, tedy rychlost přenosu náboje a z toho vyplývají možné aplikace v elektronice, lze za určitých okolností zachovat i v silném magnetickém poli. To může mít speciální využití např. u elektroniky pracující v extrémních podmínkách apod.
