Двошаровий графен — одна з двовимірних алотропних форм вуглецю, матеріал, що складається з двох шарів графену.
Двошаровий графен має ряд унікальних властивостей: атомарно надтонкий, на порядки міцніший за сталь, майже прозорий у широкому діапазоні частот, гарний провідник електричного струму та тепла.
Звичайний графен — це один шар атомів вуглецю, розташованих у вигляді шестикутних комірок, подібних до бджолиних сот.
Якщо взяти два такі шари і повернути один відносно іншого на дуже малий кут (приблизно 1,1°), виникає так званий «магічний кут».
При цьому атоми вже не збігаються ідеально. Натомість утворюється велика інтерференційна структура — муаровий візерунок. Саме цей візерунок докорінно змінює поведінку електронів.
Що відбувається з електронами?
У звичайному графені електрони рухаються майже безперешкодно. У скрученому графені при «магічному куті» вони різко сповільнюються.
Фізики кажуть, що виникають плоскі енергетичні зони (flat bands). Через це електрони починають дуже сильно взаємодіяти між собою. Саме тут починаються дивовижні явища.
Незвичайні магнітні стани
Залежно від кількості електронів і прикладеної напруги матеріал може переходити в різні стани.
Наприклад:
– феромагнітний — електрони вирівнюють свої спіни в одному напрямку, і матеріал набуває власної намагніченості;
– антиферомагнітний — сусідні спіни спрямовані в протилежні боки;
– орбітальний феромагнетизм — магнетизм виникає не лише через спін електронів, а й через їхній колективний рух по орбітах у кристалі.
Унікальність полягає в тому, що ці стани можна перемикати електричним полем, не змінюючи сам матеріал.
Надпровідність
У 2018 році дослідники виявили ще одну несподівану властивість. При певній концентрації електронів скручений графен стає надпровідником — електричний струм проходить без опору.
Це було сенсаційне відкриття, адже графен сам по собі не є надпровідником.
Чому він стає магнітним?
Причина не в тому, що атоми вуглецю самі по собі магнітні.
Весь ефект виникає через колективну поведінку електронів.
У плоских енергетичних зонах вони вже не поводяться незалежно, а починають взаємодіяти як єдина квантова система. Через це можуть виникати впорядковані магнітні структури.
Чому це важливо?
Такий матеріал може стати основою для:
– квантових комп’ютерів;
– спінтроніки (електроніки, яка використовує спін електронів);
– пам’яті нового покоління;
– надчутливих магнітних датчиків;
– енергоефективних логічних елементів.
Чому кут називають «магічним»?
Назва не має містичного змісту.
Приблизно при 1,1° математичні розрахунки показали, що швидкість руху електронів різко падає, а їхня взаємодія стає надзвичайно сильною. Саме тому цей кут назвали магічним (magic angle). Відхилення навіть на кілька десятих градуса можуть суттєво змінити властивості матеріалу.
Фізики жартують, що це приклад того, як невеликий поворот на один градус змінює фізику матеріалу: той самий вуглець, ті самі атоми, але через іншу взаємну орієнтацію шарів з’являються зовсім нові квантові властивості — магнетизм, надпровідність та інші колективні стани. Саме тому скручений двошаровий графен вважають однією з найперспективніших платформ для дослідження нової квантової фізики. Джерело