A grafit felületén összegyűlő elektronok egzotikus mágnest képeznek, mutattak rá az EK kutatói

Hírek

Az ELKH Energiatudományi Kutatóközpontban (EK) Nemes-Incze Péter vezetésével működő MTA EK Topológia Nanoszerkezetekben Lendület Kutatócsoport munkatársai rámutattak, hogy a romboéderes grafit talán a legegyszerűbb kristály, amelyben az elektronok közötti kölcsönhatás erős korrelációs effektusokat eredményez. A pásztázószondás mérések eredményei alapján a romboéderes grafitban az elektronok egy különleges, úgynevezett kvantummágnest képeznek, amelynek fontos tulajdonsága, hogy egy szigetelő és egy fémes állapot egyszerre van jelen a felületén. A mostani vizsgálatok révén a kutatók igazolták, hogy ez a roppant egyszerű modellrendszer alkalmas az erős kölcsönhatások tanulmányozására. A kölcsönható elektronrendszerek alaposabb megértése olyan jelentős előrelépésekhez járulhat hozzá, mint a robusztus kvantumbitek előállítása, illetve a magas hőmérsékletű szupravezetés megvalósítása. A kutatás eredményeit a rangos Science Advances tudományos folyóiratban publikálták.

Az elektronok egymással való kölcsönhatása kristályos anyagokban tudományos és gyakorlati szempontból is izgalmas jelenségeket hoz létre. Ilyen effektusok többek között a Majorana-kvázirészecskék, valamint a frakcionalizált spin és elektromos töltés. A kölcsönható elektronrendszerek alaposabb megértése olyan jelentős előrelépésekhez járulhat hozzá, mint a robusztus kvantumbitek előállítása, illetve a magas hőmérsékletű szupravezetés megvalósítása.

A fizikában általában a legegyszerűbb rendszerek tanulmányozásából származnak a jelentős előrelépések, a kölcsönható elektronrendszerek esetében azonban ez a fontos tudományos vezérlő elv kevésbé teljesül. Az erős kölcsönhatásokat mutató anyagok három, négy vagy akár több atomi komponenst tartalmazó bonyolult szerkezetekben kristályosodnak. Nemes-Incze Péter és kutatócsoportja rámutatott, hogy a romboéderes grafit talán a legegyszerűbb kristály, amelyben az elektronok közötti kölcsönhatás erős korrelációs effektusokat eredményez. A grafitkristály egyszerűsége abban rejlik, hogy csupán szénatomokból épül fel, és az erős kölcsönhatások a romboéderes grafit lépcsőszerű atomi szerkezetéből fakadnak.

Kép_1

A szénatomok lépcsőszerű láncait megismételve építhető fel a romboéderes grafitkristály

A szénatomoknak ezt a lépcsőszerű rendszerét a fenti ábrán piros és kék szénatomok szemléltetik. A különleges kristályszerkezet azt eredményezi, hogy a kristályt határoló grafénrétegeken egy felületi elektronállapot alakul ki, amelyet az alábbi ábra szemléltet.

.

A kristályt határoló grafénrétegeken a különleges kristályszerkezet eredményeképpen kialakuló elektronállapot. A piros gömbök mérete arányos a szénatomokon található elektronok sűrűségével.

A hőmérsékletfüggő, pásztázó alagútmikroszkópos mérések azt mutatják, hogy az erős korrelációk legalább 16 kelvin hőmérsékletig jelen vannak a mintában. A pásztázószondás mérések eredményei alapján a romboéderes grafitban az elektronok egy különleges, úgynevezett kvantummágnest képeznek, amelynek fontos tulajdonsága, hogy egy szigetelő és egy fémes állapot egyszerre van jelen a felületén. Ezek a mérések csupán az első lépést jelentik a romboéderes grafit tulajdonságainak a feltárásában, azt azonban máris megmutatták, hogy ez a roppant egyszerű modellrendszer alkalmas az erős kölcsönhatások tanulmányozására.