Древний графит преподносит квантовый сюрприз: Ученые открыли бабочку Хофстедтера

Графитовая бабочка. Исследователи сделали важное открытие в графите, древнем материале. Используя технологию Ван-дер-Ваальса и твистронику, они обнаружили новую физику в структуре графита, в частности, 2,5-мерное смешение поверхностных и объемных состояний. Это позволило по-новому взглянуть на управление электронными свойствами двумерных и трехмерных материалов. Credit: Prof. Jun Yin (соавтор статьи)

Ученые из Национального института графена при Манчестерском университете открыли новую физику графита с помощью твистроники, обнаружив 2,5-мерное смешение поверхностных и объемных состояний. Исследование открывает новые возможности для управления электронными свойствами как двумерных, так и трехмерных материалов.

Исследователи из Национального института графена (NGI) Манчестерского университета вновь обратились к графиту, одному из самых древних материалов на Земле, и обнаружили новую физику, которая десятилетиями не давала покоя специалистам.

Сложность графита

Несмотря на то, что природный графит полностью состоит из слоев атомов углерода, расположенных в виде сот, он не так прост, как может показаться. Способ укладки этих атомных слоев друг на друга может привести к появлению различных типов графита. Они характеризуются различным порядком укладки последовательных атомных плоскостей. Большинство графитов, встречающихся в природе, имеют гексагональную структуру, что делает его одним из самых «обычных» материалов на Земле. Структура кристалла графита представляет собой повторяющийся узор. На поверхности кристалла этот узор нарушается, что приводит к так называемым «поверхностным состояниям», которые напоминают волны, постепенно затухающие по мере углубления в кристалл. Однако способ настройки поверхностных состояний в графите был недостаточно хорошо изучен.

Новые открытия благодаря твистронике

Технологии Ван-дер-Ваальса и твистроника (укладка двух двумерных кристаллов под углом поворота, позволяющая в значительной степени настраивать свойства полученной структуры за счет муара, образующегося на их границе раздела) — два ведущих направления в исследовании двумерных материалов. В настоящее время группа исследователей НГИ под руководством профессора Артема Мищенко использует муаровый узор для настройки поверхностных состояний графита, напоминающих калейдоскоп с постоянно меняющимися картинками при повороте линзы, раскрывая новые необычные физические свойства графита.

В частности, профессор Мищенко распространил метод твистроники на трехмерный графит и обнаружил, что муаровый потенциал не просто изменяет поверхностные состояния графита, но и влияет на электронный спектр всей основной массы кристалла графита. Как в известной сказке «Принцесса и горошина», принцесса почувствовала горошину прямо через двадцать матрасов и двадцать гагачьих пуховых кроватей. В случае графита муаровый потенциал на выровненной границе раздела может проникать более чем через 40 атомных графитовых слоев.

Наблюдения и последствия

В исследовании, опубликованном в недавнем номере журнала Nature, изучались эффекты муаровых узоров в объемном гексагональном графите, возникающие при кристаллографическом выравнивании с гексагональным нитридом бора. Наиболее интересным результатом является наблюдение 2,5-мерного смешения поверхностного и объемного состояний в графите, которое проявляется в новом типе фрактального квантового эффекта Холла — 2,5-мерной бабочке Хофстедтера.

Профессор Артем Мищенко из Манчестерского университета, который уже обнаружил 2,5-мерный квантовый эффект Холла в графите, сказал: «Графит дал начало знаменитому графену, но люди обычно не интересуются этим «старым» материалом. И сейчас, даже с учетом накопленных за последние годы знаний о графите с различными порядками укладки и выравнивания, мы по-прежнему считаем графит очень привлекательной системой — так много еще предстоит исследовать». Киаран Муллан, один из ведущих авторов статьи, добавил: «Наша работа открывает новые возможности для управления электронными свойствами с помощью твистроники не только в двумерных, но и в трехмерных материалах».

Заключительные размышления

Профессор Владимир Фалько, директор Национального института графена и физик-теоретик кафедры физики и астрономии, добавил: «Необычный 2,5D квантовый эффект Холла в графите возникает как взаимодействие двух хрестоматийных явлений квантовой физики — квантования Ландау в сильных магнитных полях и квантового удержания, что приводит к еще одному новому типу квантового эффекта».

В настоящее время та же группа продолжает исследования графита, чтобы лучше понять этот удивительно интересный материал.

Ссылка: «Смешение муаро-поверхностного и объемного состояний в графите» Ciaran Mullan, Sergey Slizovskiy, Jun Yin, Ziwei Wang, Qian Yang, Shuigang Xu, Yaping Yang, Benjamin A. Piot, Sheng Hu, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Kostya S. Novoselov, A. K. Geim, Vladimir I. Fal’ko and Artem Mishchenko, 19 July 2023, Nature . DOI: 10.1038/s41586-023-06264-5