Ученые Принстона используют инновационные методы для визуализации электронов в графене, одном атомном слое атомов углерода. Они обнаружили, что сильные взаимодействия между электронами в сильных магнитных полях заставляют их образовывать необычные кристаллоподобные структуры, подобные тем, которые впервые были обнаружены для молекул бензола в 1860-х годах химиком Августом Кекуле. Эти кристаллы обладают пространственной периодичностью, которая соответствует электронам, находящимся в квантовой суперпозиции. Эксперименты также показывают, что квантовые кристаллы Кекуле имеют дефекты, не имеющие аналога дефектам обычных кристаллов, состоящих из атомов. Эти открытия проливают свет на сложные квантовые фазы, которые электроны могут образовывать из-за их взаимодействия, которое лежит в основе широкого спектра явлений во многих материалах.

Физики научились контролировать взаимодействие электронов друг с другом с помощью приложения сильного магнитного поля и, совсем недавно, путем укладки нескольких слоев графена друг на друга. Фактически, открытие графена в первом десятилетии 21-го века — открытие, которое привело к Нобелевской премии по физике в 2010 году — открыло новую арену для изучения физики электронов, особенно для изучения того, как электроны ведут себя коллективно.

Исследователи из Принстона под руководством Али Яздани, профессора физики 1909 года и директора Центра сложных материалов Принстонского университета, обнаружили, что сильное взаимодействие между электронами в графене заставляет их формировать кристаллические структуры со сложными структурами, определяемыми квантовой механикой. суперпозиция — электроны, одновременно находящиеся на нескольких атомных позициях. Эксперимент, недавно опубликованный в журнале Science, также показывает, что этот новый квантовый кристалл обладает экзотическими деформациями, которые соответствуют скручиванию и закручиванию волновой функции электронов.

Графен состоит из одного слоя атомов углерода, расположенных в двумерной гексагональной или сотовой решетке. Он производится обманчиво простым, но кропотливым способом. Графит, тот же материал, что и карандаши, постепенно расслаивается полоска за полоской, пока не будет достигнут слой углерода толщиной в один атом.

«Предыдущие исследования показали, что графен демонстрирует новые электрические свойства», — сказал Яздани. «Но никогда раньше исследователи не могли так глубоко и с таким пространственным разрешением заглянуть в природу квантовых состояний».

Чтобы достичь такого беспрецедентного уровня разрешения, группа Яздани использовала устройство, называемое сканирующим туннельным микроскопом (СТМ). Это устройство основано на явлении, называемом «квантовым туннелированием», когда напряжение используется для направления электронов между острым металлическим наконечником микроскопа и образцом, находящимся всего в нескольких ангстремах. Микроскоп использует этот туннельный ток, а не свет, чтобы увидеть мир электронов в атомном масштабе. Микроскопы Yazdani работают в очень высоком вакууме, чтобы поверхность образца оставалась чистой, и при очень низких температурах, что позволяет проводить измерения с высоким разрешением, не подвергаясь воздействию теплового перемешивания.

Микроскоп также может наблюдать за электронами, когда они достигают своих самых низких энергетических состояний , в которых доминируют их квантовые свойства.

При наличии магнитного поля микроскоп можно использовать для определения пространственной структуры квантованного уровня энергии.

«Одним из особых свойств графена является его поведение в магнитном поле, когда электроны вынуждены вращаться вокруг магнитного поля по кругу», — сказал Яздани. «Это квантует их энергию, что приводит к квантованию электрических свойств графена».

Квантование энергии относится к созданию дискретных значений энергии без каких-либо промежуточных значений, что является характеристикой квантовой физики, в отличие от классической физики, где разрешены непрерывные значения энергии.

Исследователи сосредоточили свое внимание на квантовом уровне с наименьшей энергией в графене, для которого в предыдущем исследовании, впервые опубликованном Фуаном Онгом, профессором физики Юджина Хиггинса в Принстоне, были обнаружены некоторые необычные электрические свойства. Этот уровень доминирует над электрическими свойствами, когда к графену не добавляются и не удаляются избыточные заряды, другими словами, когда заряд нейтрален. Онг показал, что электроны «замерзают», когда заряд нейтрален, а слой графена действует как изолятор при приложении магнитного поля. Природа этого замороженного состояния электронов в графене оставалась загадкой почти десять лет, с момента первоначального открытия Онга.

«Изолирующее состояние, которое мы обнаружили, озадачило всех и поставило под сомнение господствовавшие в то время теории», — сказал Онг, не участвовавший в текущем исследовании. «Это оставалось загадкой в ​​течение 13 лет, пока Яздани не получил прекрасные результаты. Новые результаты решают загадку очень захватывающим образом».

Яздани и его команда использовали микроскоп для картографирования волновой функции низшего уровня квантованной энергии в присутствии магнитного поля. Исследователи обнаружили сложные узоры электронных волн, когда графен был настроен на нейтральное состояние с помощью близлежащего электрического затвора.

В металлах волновая функция электронов распределена по всему кристаллу, в то время как в обычном изоляторе электроны заморожены без какого-либо особого предпочтения кристаллической структуре атомных позиций. При очень низких полях СТМ-изображения показали, что электронные волновые функции графена выбирают один из узлов подрешетки вместо другого. Что еще более важно, при увеличении магнитного поля наблюдается замечательная картина, похожая на связь, которая соответствует волновой функции электронов, находящейся в квантовой суперпозиции. Это означает, что электрон занимает два неэквивалентных места одновременно.

В частности, изображение соответствовало структуре, похожей на связь, впервые обнаруженной Кекуле для бензола. Он состоит из чередующихся одинарных и двойных связей. В одинарной связи один электрон от каждого атома связывается со своим соседним электроном; в двойной связи участвуют по два электрона от каждого атома.

Люди предполагали, что электроны могут образовывать такие узоры Кекуле, — сказал Яздани, — но теперь мы видим это впервые. Это состояние электронов нельзя было бы различить иначе, если бы оно не было изображено».

Затем исследователи использовали микроскоп для картирования однородности кристалла Кекуле и его свойств вблизи несовершенств или дефектов в графене. Одним из замечательных открытий, которые они сделали, были дефекты вблизи заряда, где они обнаружили, что узор Кекуле непрерывно развивается в своих узорах вокруг дефекта на поверхности графена .

Совместно с Майклом Залетелем из Калифорнийского университета в Беркли команда разработала метод извлечения из данных СТМ математических свойств квантовой волновой функции электронов, так называемых фазовых углов, описывающих их квантовую суперпозицию . Анализ выявил заметное наматывание одного из этих фазовых углов вокруг дефекта и коррелированные изменения другого угла.

«Когда группа применила свою технику для измерения фазового угла над дефектом в подложке, они обнаружили «вихрь» в образце Кекуле, который подобен урагану, вокруг которого фазовый угол закручивается за 12 часов [как на часы], — сказал Залетель. «Когда делаешь прогнозы о таких квантовых, наноразмерных объектах, редко думаешь, что у тебя будет удовольствие действительно «увидеть» их изображение, но группа смогла сделать именно это».

Команда считает, что методы, которые они разработали для обнаружения этого необычного квантового кристалла электронов в сильном магнитном поле, могут найти применение в других областях. Другие двумерные материалы и их наборы могут иметь аналогичные квантовые кристаллы с новыми дефектами. Команда стремится применить свою методологию к более широкому классу таких материалов.

Помимо Яздани и Залетела, в исследовании участвовали авторы Сяомэн Лю, Геларе Фарахи и Ченг-Ли Чиу, все из Лабораторий Джозефа Генри и факультета физики Принстонского университета; Златко Папич, Школа физики и астрономии, Университет Лидса, Соединенное Королевство; и Кенджи Ватанабэ и Такаши Танигути из Национального института материаловедения Японии.

Исследование «Визуализация нарушенной симметрии и топологических дефектов в квантовом холловском ферромагнетике», проведенное Лю Сяомэн, Геларех Фарахи, Ченг-Ли Чиу, Златко Папич, Кенджи Ватанабе, Такаши Танигучи, Майклом Залетелем и Али Яздани, было опубликовано 2 декабря 2021 в журнале Science.