Překvapivá měření entropie ukazují exotické efekty v grafech „magického úhlu“

Pomeranchukův efekt v grafech s magickým úhlem, který odhaluje exotický přechod mezi dvěma fázemi: kapalnou fází (Fermi), ve které jsou neuspořádané prostorové polohy elektronů, ale jejich magnetické momenty (šipky) jsou dokonale vyrovnány a těleso podobné fáze, ve které jsou elektrony uspořádány v prostoru, ale jejich magnetické momenty volně kolísají. Kontraintuitivně se kapalná fáze po zahřátí změní na pevnou fázi. Fotografický kredit: Weizmann Institute of Science

Vědci z Weizmann Institute of Science a Massachusetts Institute of Technology objevili překvapivý fázový přechod ve zkroucené dvojvrstvě Graf.

Většina materiálů se při zahřívání pevných látek mění na kapaliny. Vzácným protikladem je helium-3, které při zahřátí může ztuhnout. Tento neintuitivní a exotický efekt, známý jako Pomeranchukův efekt, mohl nyní najít svůj elektronický analog v materiálu známém jako graf magického úhlu, říká tým vědců z Weizmann Institute of Science, vedený profesorem Shahal Ilani ve spolupráci s Skupina profesora Pabla Jarilla-Herrera na Massachusetts Institute of Technology (S).

Tento výsledek byl dnes (7. dubna 2021) zveřejněn v Příroda, přichází díky prvnímu měření elektronické entropie v atomově tenkém dvojrozměrném materiálu. “Entropie popisuje stupeň rušení v materiálu a určuje, která z jeho fází je stabilní při různých teplotách,” vysvětluje Ilani. „Náš tým se rozhodl měřit elektronickou entropii v grafech magického úhlu, aby vyřešil některé z jejich výjimečných hádanek, ale objevil další překvapení.“

Obrovská magnetická entropie

Entropie je základní fyzikální veličina, kterou nelze snadno zaznamenat nebo přímo měřit. Při nízkých teplotách zmrzne většina stupňů volnosti ve vodivém materiálu a k entropii přispívají pouze elektrony. V sypkých tělesech je spousta elektronů, a tak je možné měřit jejich tepelnou kapacitu a odvodit z ní entropii. V atomově tenkém dvojrozměrném materiálu je takové měření extrémně obtížné kvůli malému počtu elektronů. Doposud nebyly v takových systémech schopny měřit entropii žádné experimenty.

K měření entropie použil tým Weizmann jedinečný skenovací mikroskop skládající se z uhlíkového nanotrubičky s jedním elektronovým tranzistorem umístěným na okraji konzoly skenovací sondy. Tento nástroj dokáže prostorově mapovat elektrostatický potenciál generovaný elektrony v materiálu s bezprecedentní citlivostí. Na základě Maxwellových vztahů, které spojují různé termodynamické vlastnosti materiálu, lze pomocí těchto elektrostatických měření přímo studovat entropii elektronů.

“Když jsme prováděli měření ve vysokých magnetických polích, vypadala entropie naprosto normálně podle očekávaného chování konvenční (Fermi) elektronové tekutiny.” Toto je standardní stav, ve kterém elektrony existují při nízkých teplotách. Překvapivě však, když bylo magnetické pole nulové, elektrony vykazovaly obrovskou nadměrnou entropii, jejíž přítomnost byla velmi záhadná. “Říká Ilani.” Tato obrovská entropie vznikla, když počet elektronů v systému byl přibližně jeden na místo umělé „superlattice“ vytvořené v grafech magického úhlu.

Umělá „superlattice“ ve zkroucených vrstvách grafenu

Graf je jeden atom silný krystal atomů uhlíku uspořádaný v hexagonální mřížce. Když jsou na sebe položeny dvě vrstvy grafenu s malým a zvláštním nebo „magickým“ úhlem nesouososti, objeví se periodický moaré vzor, ​​který funguje jako umělá „superlattice“ pro elektrony v materiálu. Moiré vzory jsou oblíbeným efektem u látek a vyskytují se všude tam, kde je jedno oko v mírném úhlu nad druhým.

V grafech Magic Angle se elektrony objevují ve čtyřech variantách: Spin “nahoru” nebo Spin “dolů” a dvě “údolí”. Každý bod moaré tak může absorbovat až čtyři elektrony, jeden z každé chuti.

Vědci již věděli, že tento systém se chová jako jednoduchý izolátor, když jsou všechny moaré skvrny zcela zaplněny (čtyři elektrony na skvrnu). V roce 2018 však profesor Jarillo-Herrero a jeho kolegové k jejich překvapení zjistili, že to může být izolace na dalších celočíselných výplních (dva nebo tři elektrony na bod moaré), což lze vysvětlit pouze tehdy, když se vytvoří korelovaný stav elektronů se stává. Avšak poblíž výplně jednoho elektronu na moiré drtivá většina měření přenosu ukázala, že systém je poměrně jednoduchý a chová se jako obyčejný kov. To je přesně místo, kde měření entropie provedené týmem Weizmann-MIT našlo nejpřekvapivější výsledky.

“Na rozdíl od chování během transportu v blízkosti náplně s jedním elektronem na bod moiré, což je docela divné, naše měření ukázala, že u této náplně dochází k termodynamicky nejdramatičtějšímu fázovému přechodu,” říká Dr. Asaf Rozen, hlavní autor této práce. “Zjistili jsme, že poblíž této náplně, když se materiál zahřívá, se konvenčnější kapalina Fermi transformuje na korelovaný kov s velkou magnetickou entropií.” Tuto obrovskou entropii (přibližně 1 Boltzmannova konstanta na bod mřížky) lze vysvětlit, pouze pokud má každý moaré bod určitý stupeň volnosti, který může zcela volně kolísat. “

Elektronický analog Pomerančukova jevu

“Tato neobvyklá nadměrná entropie nám připomněla exotický efekt, který byl objeven v heliu-3 asi před 70 lety,” říká Weizmann teoretik prof. Erez Berg. “Většina materiálů se při zahřívání mění z pevné látky na kapalinu.” Je to proto, že kapalina má vždy větší entropii než pevná látka, protože atomy v kapalině se pohybují nepravidelněji než v pevné látce. “V heliu-3 se však materiál v malé části fázového diagramu chová úplně opačně a vyšší teplotní fáze je pevná látka.” Toto chování, které předpověděl v padesátých letech sovětský teoretický fyzik Isaak Pomeranchuk, lze vysvětlit pouze existencí dalšího „skrytého“ zdroje entropie v systému. V případě helia-3 pochází tato entropie z volně rotujících jaderných otáčení. „Každý atom má ve svém jádru rotaci („ šipka “, která může ukazovat jakýmkoli směrem),“ vysvětluje Berg. “V tekutém heliu-3 musí kvůli principu Pauliho vylučování přesně polovina otočení směřovat nahoru a polovina dolů, aby se otočení nemohla volně otáčet.” V pevné fázi jsou však atomy lokalizovány a nikdy se nepřiblíží, takže jejich jaderná otočení se mohou volně otáčet. “

“Obrovská přebytečná entropie, kterou jsme pozorovali v korelovaném stavu s jedním elektronem na moiré, je analogická entropii v pevném heliu-3, ale místo atomů a jaderných spin v případě grafenu s magickým úhlem máme elektrony a elektronická spiny ( nebo magnetické momenty v údolí), “říká.

Magnetický fázový diagram

K dalšímu navázání vztahu k Pomerančukově efektu provedl tým podrobná měření fázového diagramu. Toho bylo dosaženo měřením „stlačitelnosti“ elektronů v systému, to znamená, jak obtížné je vytlačit další elektrony do konkrétního místa mřížky (takové měření bylo prokázáno v předchozí práci týmu ve zkrouceném dvouvrstvém grafu) . Výsledkem tohoto měření byly dvě různé fáze, které byly odděleny prudkým poklesem stlačitelnosti: elektronická kapalinová fáze s nízkou entropií a pevná fáze s vysokou entropií a volnými magnetickými momenty. Sledováním poklesu stlačitelnosti vědci zmapovali hranici mezi dvěma fázemi jako funkci teploty a magnetického pole a ukázali, že hranice fází se chová přesně podle očekávání od Pomerachukova efektu.

“Tento nový výsledek zpochybňuje naše chápání grafů s magickým úhlem,” říká Berg. “Představili jsme si, že fáze v tomto materiálu jsou jednoduché – buď vodivé nebo izolační – a očekávali jsme, že při tak nízkých teplotách budou všechny elektronické fluktuace zmrzlé.” To není tento případ, jak ukazuje obrovská magnetická entropie. “

„Nové poznatky poskytnou nový pohled na fyziku vysoce korelovaných elektronových systémů a možná dokonce vysvětlí, jak tyto kolísavé otáčky ovlivňují supravodivost,“ dodává.

Vědci uznávají, že dosud nevědí, jak vysvětlit efekt Pomerančuka v grafech magického úhlu. Je to jako s heliem-3, že elektrony v pevné fázi zůstávají ve velké vzdálenosti od sebe a jejich magnetické momenty zůstávají zcela volné? “Nejsme si jisti,” připouští Ilani, “protože pozorovaná fáze má” osobnost plivat “- některé z jejích vlastností jsou spojeny s migrujícími elektrony, zatímco jiné lze vysvětlit pouze představou, že elektrony jsou lokalizovány na mřížce. “

Odkaz: „Entropické důkazy o Pomerančukově efektu v grafech s magickým úhlem“ od Asafa Rozena, Jeong Min Park, Uri Zondinera, Yuan Caa, Daniela Rodana-Legraina, Takashi Taniguchiho, Kenjiho Watanabeho, Yuvala Orega, Adyho Sterna, Ereze Berga, Pablo Jarillo-Herrero a Shahal Ilani, 7. dubna 2021, Příroda.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03319-3

Výzkum profesora Shahala Ilaniho je podporován programem Sagol Weizmann-MIT Bridge. cena André Deloro za vědecký výzkum; Cena Rosa a Emilio Segre za výzkum; a charitativní trust Leona M. a Harry B. Helmsley.

Výzkum profesora Ereze Berga podporují Irving a Cherna Moskowitz.

Výzkum profesora Yuvala Orega podporuje profesorská židle experimentální fyziky Lady Davis. Prof. Oreg je ředitelem Centra pro nanofyziku Maurice a Gabrielly Goldschlegerových.

Výzkum profesorky Ady Sternové je podporován Fondem diskreční fyziky Veroniky A. Rabl a Zuckerman STEM Leadership Program.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Líheň je otevřená, stanici zabírá 10 členů posádky

Nově přidaný personál stanice, který se skládal z 10 členů, se shromáždil v servisní jednotce Zvezda, aby uspořádali uvítací ceremoniál s rodinnými příslušníky a...

Chronické virové infekce mohou mít hluboký trvalý účinek na imunitu člověka, podobně jako stárnutí

Analýza topologie sítě funkce imunitního systému představující desítky integrovaných buněčných odpovědí, které jsou během odstraňování viru hepatitidy C u lidí obráceny. Zkoumané signální...

Byly odhaleny bizarní dýchací orgány 450 milionů let starých mořských živočichů

Zápočet: UCR Trilobité měli při dýchání jednu nohu Nová studie našla první důkazy o vysoce vyvinutých dýchacích orgánech u mořských živočichů starých 450 milionů let. ...

“Čmáranice světla” v reálném čase

Vědci z Tokijské metropolitní univerzity vyvinuli zjednodušený algoritmus pro převod volně nakreslených čar na standardním stolním procesoru na hologramy. Dramaticky snižují náklady na...

Mineralogie hluboké kůry Země pohání hotspoty pro domácí život

Tým DeMMO Field zleva doprava: Lily Mumper, Britney Kruger a Caitlin Cesar vzorky zlomenin z vrtné soupravy DeMMO. Kredit: © Matt Kapost Pod zeleným...

Newsletter

Subscribe to stay updated.