物理学者は、新しい超薄材材料で予期しない電子の結晶を見つける

MIT物理学者は、厚さの数十億分の1の材料に結晶構造を形成する電子の予期せぬ発見を報告しています。この作品は、同じチームが約3年前に発見した素材に由来する発見の金鉱山に追加されます。

1月22日に公開された論文で 自然、チームは、宇宙空間の温度と同様の温度に保持されているときに、デバイスに適用される電圧を変更することにより、新しい材料の一部が作られたデバイスの電子がどのように固体になったり、形成されたりする方法を説明します。同じ条件下で、彼らはまた、昨年、電子が自分自身の画分に分割できることを示す彼らが報告した仕事に追加する2つの新しい電子状態の出現を示しました。

物理学者は、作業に関与する機器のより良い断熱材のために、新しいカスタムメイドのフィルターのおかげで発見をすることができました。これらにより、以前の結果で達成したよりも数桁寒い温度までデバイスを冷却することができました。

また、チームは、5層の原子的薄い炭素で構成される新しい材料の2つのわずかに異なる「バージョン」を使用して、これらすべての現象を観察しました。 4つの層で構成されているもう1つ。これは、「この種の行動を得ることができる材料の家族がいることを示していますが、これはエキサイティングです」と、MIT物理学部の助教授であるLong Ju氏は言います。 JUは、MITのMaterials Research Laboratory and Research Labol of Electronicsにも提携しています。

ロムボヘドラルの五角形のグラフェンとして知られる新しい材料を参照して、JUは「金鉱山を見つけ、すべてのスクープが新しいものを明らかにしている」と言います。

新しい素材

菱面体の五角形のグラフェンは、本質的に鉛筆鉛の特別な形態です。鉛筆鉛、またはグラファイトは、ハニカム構造に似たヘキサゴンに配置された炭素原子の単一層であるグラフェンで構成されています。 Rhombohedral Pentalayerグラフェンは、特定の重複順に積み上げられた5層のグラフェンで構成されています。

Juと同僚は素材を発見したので、彼らはグラフェンの特性を強調したり、新しい現象を生成したりするかもしれないと考えた別の材料の層を追加することで、それをいじくり回しました。たとえば、2023年には、窒化窒素で作られた「パン」を備えたロンボヘドラルペンタレイヤーグラフェンのサンドイッチを作成しました。サンドイッチに異なる電圧または電気の量を適用することにより、彼らは天然グラファイトではこれまでに見たことのない3つの重要な特性を発見しました。

昨年、Juと同僚はさらに重要でさらに驚くべき現象を報告しました。電子は、菱面体の五角形のグラフェンと六角形の窒化物で構成される新しいデバイスに電流を適用すると、それ自体の画分になりました。

これは重要です。なぜなら、この「分数量子ホール効果」は、通常非常に高い磁場で、いくつかのシステムでのみ見られているからです。 JUの仕事は、この現象が磁場のないかなり単純な材料で発生する可能性があることを示しました。その結果、「分数量子異常ホール効果」と呼ばれます（異常は、磁場が必要ないことを示します）。

新しい結果

現在の研究では、JUチームは、30ミリケルビンに冷却された場合、一般的な菱面体のグラフェン/窒化ホウ素系からさらに予期せぬ現象を報告しています（1ミリケルビンは華氏-459.668度に相当）。昨年の論文で、JUと同僚は6つの分数の電子状態を報告しました。現在の作業では、これらの分数状態のさらに2つの発見を報告しています。

彼らはまた、別の異常な電子現象を発見しました：幅広い電子密度における整数量子異常なホール効果。分数量子異常のホール効果は、水に類似した電子「液体」相で出現すると理解されていました。対照的に、チームが現在観察している新しい状態は、電子の「氷」の形成を和らげる電子「固体」相として解釈することができます。これは、システムの電圧が超低温で慎重に調整された場合に、分数の量子異常のホール状態と共存することもできます。

整数状態と分数状態の関係について考える1つの方法は、電圧を調整することで作成されたマップを想像することです。異なる電圧でシステムを調整することにより、川（液体のような分数状態を表す）を氷河（固体のような整数効果を表す）に似た「ランドスケープ」を作成できます。

Juは、彼のチームがこれらの現象のすべてを、Pentalayer Rhombohedral Grapheneだけでなく、4つの層で構成されるRhombohedralグラフェンでも観察したことに注目しています。これにより、材料の家族が作成され、他の「親relative」が存在する可能性があることを示しています。

「この作品は、この素材がエキゾチックな現象を展示する際にどれほど豊富であるかを示しています。この非常に興味深い素材にさらに風味を加えました」と、この論文の共同著者であるZhengguang Lu氏は言います。 MITでポスドクとして作業を行ったLuは、現在フロリダ州立大学の教員にいます。

このストーリーは、MITの研究、革新、教育に関するニュースをカバーする人気のあるサイトであるMIT News（web.mit.edu/newsoffice/）の好意により再発行されています。