Двуликий графен экспресс
Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток. В новой работе физики показали, что эту смену ролей можно вызывать слабыми полями, если учесть крошечную асимметрию в расположении атомов.
В прошлом исследовании авторы обнаружили, что совместное действие магнитного поля вдоль слоёв и электрического поля поперёк превращает изолятор в металл, но для этого требовались огромные магниты. Теперь они добавили в расчёты так называемое тригональное искажение — лёгкий перекос энергетических зон, который раньше игнорировали. Оказалось, что в крошечной области импульсного пространства (примерно одна сотая всей зоны Бриллюэна) из-за этого перекоса две разновидности частиц — электроны и дырки — компенсируют друг друга, и материал сам собой становится полуметаллом даже без внешних полей.
Дальше физики приложили слабое поперечное электрическое поле — всего 0,6 милливольта, что в тысячи раз меньше напряжения в обычной батарейке. Этого хватило, чтобы открыть щель и сделать материал изолятором. Но стоило добавить умеренное магнитное поле около 10 тесла (примерно в 200 тысяч раз сильнее магнита на холодильнике), как щель закрылась, и графен снова стал проводящим. Раньше для такого перехода требовалось поле в несколько раз больше.
Этот результат — не просто теоретическая игра. Он означает, что переключать состояние двухслойного графена можно с помощью полей, доступных в обычной лаборатории. А поскольку графен — материал будущего для электроники, понимание его поведения под полями приближает создание транзисторов и датчиков на его основе.
Тригональное искажение в графене возникает из-за того, что атомы углерода в решётке расположены не идеально симметрично: при сдвиге слоёв появляются дополнительные связи, которые слегка «перекашивают» энергетические зоны. Это как если бы на ровной поверхности появилась едва заметная рябь, меняющая траекторию катящихся шариков.