Bir maddenin içindeki parçacıklar, daha yüksek sıcaklıklarda daha kuvvetli bir şekilde titreşerek katıların kritik bir sıcaklığın üzerindeki sıvılara erimesine neden olur. Termodinamikte, daha yüksek sıcaklıklar, bir düzensizlik ölçüsü olan daha büyük miktarlarda entropiye sahip durumların oluşumunu destekler. Bir maddenin sıvı hali tipik olarak katı halden daha büyük bir entropiye sahiptir, çünkü atomların hareketi daha düzensizdir. Bununla birlikte, sıcaklık yükseldikçe donarak bir katıya dönüşen helyum-3 için bir istisna meydana gelir.1. Bu davranış, Pomeranchuk etkisi olarak bilinir ve katı 3Sıvı formdan daha büyük bir entropiye sahiptir – spin dalgalanması (açısal momentum) ile ilişkili bir fenomen. 3O atomlar. Yazma Doğa, Saito ve diğerleri.2 ve Rozen ve diğerleri.3 Şimdi, sıcaklık arttıkça elektronların ‘donduğu’ bir grafen sistemindeki benzer bir etkiyi tanımlayın.
Söz konusu sistem, iki yığılmış grafen tabakasından oluşur – atomların altıgen bir kafes oluşturduğu tek karbon atomu katmanları. Üst tabaka, aşağıdaki tabaka ile hizalanmadan bükülerek, moiré paterni adı verilen atomların periyodik bir düzenlemesini verir (Şekil 1a). Yaklaşık 1 ° ‘lik bir bükülme açısında (‘ sihirli ‘açı), bükülmüş iki tabakalı grafendeki elektronların enerji bantları neredeyse düz hale gelir.4; başka bir deyişle, elektronların hızı normalden önemli ölçüde daha düşük hale gelir.
Sonuç olarak, elektronların davranışına aralarındaki itici (Coulomb) etkileşim hakimdir, bu da tek grafen katmanlarında bulunmayan fazların ortaya çıkmasına neden olur.5–8. Düşük sıcaklıklarda (5-10 kelvin altı), elektron sayısı düz bantların bir veya daha fazla çeyreğini dolduracak şekilde ayarlandığında, sistem tipik olarak elektronlar arasındaki etkileşimler nedeniyle elektriksel olarak yalıtkan bir faz oluşturur. Tersine, elektron sayısı çeyrek dolgulardan saptığında, sistem ya bir metal (düşük elektrik direnci) ya da bir süper iletken (sıfır direnç) haline gelir.
Bir metal, genel olarak, fizikçilerin genellikle bir Fermi sıvısı olarak adlandırdığı elektronların sıvı hali olarak kabul edilebilir. Aksine, bir yalıtkan, elektronların konumunda donmuş ve sıralı diziler halinde dizilmiş elektronların katı hali olarak görülebilir. Çoğu durumda, yalıtkan durumları metal hallere göre daha düşük entropiye sahiptir, çünkü elektronlar daha sıralıdır. Bu nedenle, izolatörlerin genellikle sıcaklık arttıkça metal haline gelmesi beklenir.
Saito ve diğerleri. ve Rozen ve diğerleri. sihirli açılı bükülmüş iki tabakalı grafende tam tersi bir fenomen gözlemlendi. Bu sistemdeki elektrik taşınımını ölçerek, her iki grup da artan sıcaklıkla sihirli açılı bükülmüş çift katmanlı grafenin bir metalden elektrik yalıtkanı olmaya yakın olan yüksek dirençli bir faza geçiş yaptığını buldu. düz bantların dörtte bir oranında doldurulması. Bu geçiş yaklaşık 10 K’lik bir sıcaklıkta gerçekleşir ve yalıtıma yakın faz yaklaşık 70-100 K’ye kadar devam eder.
Bu nedenle iki deney, elektronlar için bir Pomeranchuk etkisi ortaya çıkarır, 3O atomlar1. Etkinin kökenini anlamak için, Saito ve diğerleri. ve Rozen ve diğerleri. çeyrek dolgulu bükülmüş iki tabakalı grafenin entropisini ölçtü ve yüksek sıcaklığa yakın yalıtım fazının elektron başına entropisinin, Boltzmann’ın bir kısmı kadar düşük sıcaklık metal fazından daha büyük olduğunu buldu. sabit (kB1.38 × 10–23kelvin başına joule) – yaklaşık 0.2kB Saito ve meslektaşlarının durumunda 0,8’e kadarkB Rozen ve iş arkadaşlarının deneylerinde. Bu, kabaca bir serbest elektronun spininin entropi katkısına eşittir.
Bükülmüş iki tabakalı grafendeki elektronlar, birlikte bir izospin olarak görülebilecek, hem spin hem de vadi serbestlik derecesi (tek katmanlı grafenin elektronik enerji bandı yapısında yerel minimum) taşır. üç boyut. Bu nedenle, iki araştırma ekibi, yüksek sıcaklık fazının son derece düşük bir izospin sertliğine sahip bir ferromanyetik yalıtkan olmaya yakın olduğunu öne sürüyor – yani, elektron izospinleri aynı yönde geniş bir şekilde hizalandı, ancak hizalama zayıf bir şekilde kısıtlandı (Şek. 1b). Buna karşılık, düşük sıcaklık metalindeki elektronların, zıt yönlerde eşit sayıda izospine sahip olmak için güçlü bir şekilde kısıtlandığı düşünülmektedir, böylece toplam izospin toplamı sıfırdır. Bu nedenle, yakın yalıtım fazındaki elektron izospinlerinden gelen ekstra entropi, yüksek sıcaklıklarda bu fazın oluşumunu kolaylaştırır.
Bu resim, grafen tabakalarına paralel olarak uygulanan bir manyetik alanın, elektron hareketini bozmadan yalıtkan içindeki elektron izospininin spin kısmını polarize ettiği tespit edilen deneylerle desteklenmektedir. Saito deneylerinde ve diğerleri. İzolatörde büyük bir manyetik momentin ortaya çıktığını gözlemlerken, Rozen ve diğerleri. İzole yakın fazın entropisinin, serbest elektron dönüşlerinin katkıda bulunması beklenen miktar kadar kabaca düştüğünü buldu. Her iki gözlem de, izospin sertliğinin düşük olduğu, yani izospinlerin yakın yalıtım durumunda hizalanmasının bir manyetik alan tarafından kolayca bozulduğu fikrine oldukça uygundur.
Üstelik Saito ve diğerleri. Metalden yalıtıma yakın faza geçişte sisteme dikey bir manyetik alan uygulandığında aynı anda bir enerji seviyesini işgal edebilen elektron sayısında bir azalma gözlemlendi. Rozen ve diğerleri. aynı koşullar altında elektron sıkıştırılabilirliğinde keskin bir zirve (elektronların yoğunluğunu arttırmanın ne kadar zor olduğunun bir ölçüsü) gözlemlendi. Bu fenomen, elektronların grafen sistemini işgal etme şeklinin sıfırlandığını, elektronların genel izospin polarizasyonundan yoksun olduğu bir metal fazdan izospin polarize ferromanyetik faza geçtiğini gösterir. Elektronlar arasındaki etkileşim olmadığında ne sıfırlama ne de ferromanyetik faz mümkün olmayacaktır.
İki takımın elektronik Pomeranchuk etkisinin keşfi, sihirli açılı bükülmüş çift tabakalı grafende meydana gelen aşamalara ışık tutuyor. Elektron izospinlerini polarize olmaktan polarize hale getirmek için gereken enerjiyi belirlemek ve neredeyse yalıtkan fazın izospin dalgalanmalarının bu grafen sisteminin süperiletken fazını artırıp artırmadığını anlamak için artık izospin sertliğinin daha dikkatli ölçümlerine ihtiyaç vardır. – böylece bu sistemdeki süperiletkenliğin mekanizması ve ayarlanabilirliği konusundaki anlayışımızı arttırır.
Yeni bulgular ayrıca birçok açık soru bırakıyor. Örneğin, düşük sıcaklıktaki metal, birinci dereceden bir faz geçişiyle (termodinamik özelliklerde ani bir değişiklik ile karakterize edilir) yüksek sıcaklıktaki yalıtım fazından ayrılıyor mu, yoksa daha yumuşak bir geçiş mi var (bir geçiş)? Başka bir soru, elektronik Pomeranchuk etkisinin, sihirli açılı bükülmüş iki tabakalı grafenin bant yapısının diğer çeyrek dolgularında (yani bantlar yarı yarıya ve dörtte üçü dolu olduğunda) neden olmadığıdır, çünkü bu dolgularda benzer davranışlar meydana gelebilir. . Bu soruların cevapları, fizikçilerin bu sistemdeki ve halihazırda çalışılmakta olan diğer birçok hareli sistemdeki maddenin daha heyecan verici aşamalarını ortaya çıkarmasına ve tasarlamasına yardımcı olabilir.