Pengukuran Entropi Mengejutkan Efek Eksternal pada Graphene “Magic-Angle”

Graphene Magic Angle memiliki efek pomeranch, mengungkapkan transisi eksternal antara dua tahap: fase cair A (Fermi), di mana posisi spasial elektron kacau tetapi momen magnet (panah) digabungkan dengan sempurna, dan fase seperti padat dimana elektron diperbesar Bagaimanapun momen magnetnya berfluktuasi bebas. Sebaliknya, fase cair diubah menjadi fase solid-nasional setelah pengangkatan. Kredit: Institut Sains Weizmann

Para peneliti di Weizmann Institute of Science dan Massachusetts Institute of Technology telah menemukan pergeseran fase yang menakjubkan pada bilayer yang melengkung. Graphene.

Sebagian besar bahan berubah dari padat menjadi cair saat dipanaskan. Contoh kontra yang langka adalah helium-3, yang dapat mengeras setelah pemanasan. Efek counter dan eksternal ini, yang dikenal sebagai efek pomeranuk, sekarang menemukan analogi elektroniknya dalam komponen yang dikenal sebagai magic-angle graphene, tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Shahal Ilani di Weizmann Institute of Science di Massachusetts Institute of TechnologyDengan).

Hasil ini, diterbitkan hari ini (April 721, 2021) Alam, Muncul berkat pengukuran pertama entropi elektronik dalam elemen dua dimensi setipis atom. Elani menjelaskan, “Entropi menjelaskan tingkat ketidakteraturan dalam suatu komponen dan menentukan fase mana yang stabil pada suhu yang berbeda.” “Tim kami mengatur untuk mengukur entropi elektronik di Magic Angle Graphene untuk memecahkan misterinya yang luar biasa, tetapi menemukan kejutan lain.” “

Entropi magnet raksasa

Entropi adalah besaran fisik awal yang tidak mudah untuk dipahami atau diukur. Pada suhu rendah, sebagian besar derajat kebebasan terakumulasi dalam elemen konduktor dan hanya elektron yang berkontribusi pada entropi. Dalam bahan curah, ada banyak elektron sehingga dimungkinkan untuk menghilangkan kapasitas panas dan entropinya darinya. Dalam komponen dua dimensi setipis atom, karena jumlah elektron yang sedikit, ukuran seperti itu menjadi final. Sejauh ini, tidak ada eksperimen yang mampu mengukur entropi dalam sistem seperti itu.

Untuk mengukur entropi, tim Weizmann menggunakan mikroskop pemindaian unik yang terdiri dari transistor elektron tunggal nanotube karbon yang terletak di ujung kantilever probe pemindaian. Perangkat ini dapat memvisualisasikan potensi medan listrik yang dihasilkan oleh elektron dalam material dengan sensitivitas lokal yang belum pernah terjadi sebelumnya. Berdasarkan hubungan Maxwell yang menggabungkan berbagai sifat termodinamika suatu unsur, langkah elektronik ini dapat digunakan untuk menyelidiki secara langsung entropi elektron.

“Ketika kita mengukur dalam medan magnet tinggi, entropi tampak normal sempurna mengikuti perilaku yang diharapkan dari fluida konvensional elektron (fermy), yang merupakan keadaan standar untuk keberadaan elektron pada suhu tertinggi. Namun, yang mengejutkan, dalam magnet nol medan, elektron menunjukkan entropi berlebih raksasa Kehadirannya sangat misterius. Entropi raksasa ini muncul ketika jumlah elektron dalam sistem sekitar satu di setiap situs “superlatif” buatan yang terdiri dari grafena sudut ajaib.

“Superlatif” buatan dalam lapisan lengkung graphene

Graphene satu Atom Tersusun dalam kisi heksagonal kristal tebal atom karbon. Ketika dua lembar graphene ditempatkan di atas satu sama lain dengan kecil dan khusus, atau sudut misalignment “ajaib”, pola tegalan periodik ditampilkan yang bertindak sebagai “superlatif” buatan untuk elektron dalam elemen. Pola mur adalah efek kain yang populer dan tumbuh di mana jaring dibekukan agak miring ke arah lainnya.

Dalam Magic Angle Graphene, elektron datang dalam empat bentuk: berputar “naik” atau berputar “ke bawah,” dan dua “lembah”. Dengan demikian, setiap situs Moiré dapat menampung empat elektron, satu untuk setiap rasa.

Para peneliti sudah mengetahui bahwa sistem ini berperilaku sebagai penyekat umum ketika semua situs moiré terisi penuh (empat elektron per situs). Namun, pada tahun 2018, Profesor Jarilo-Herrero dan rekannya mengejutkan mereka dengan mengatakan bahwa itu dapat diisolasi dalam pengisian bilangan bulat lainnya (dua atau tiga elektron per situs myr), yang hanya dapat dijelaskan dengan pembentukan keadaan yang terkait dengan elektron. Namun, di dekat pengisian elektron di setiap lokasi lumpur, berbagai pengukuran transpor menunjukkan bahwa sistem tersebut berperilaku sebagai logam umum yang cukup umum. Di sinilah pengukuran entropi tim Weizmann-MIT memberikan hasil yang paling mengejutkan.

Penulis utama Dr. Asaf Rosen berkata, “Berbeda dengan perilaku yang diamati dalam transpor di dekat satu pengisian elektron per lokasi lumpur, yang tidak dapat diukur, pengukuran kami menunjukkan bahwa transformasi fase termal dan paling dramatis terjadi pada pengisian ini,” kata Dr. . Asaf Rosen, penulis utama. Dalam pekerjaan ini. “Kami menyadari bahwa di dekat pengisian ini, setelah memanaskan material, cairan fermentasi konvensional yang dimodifikasi berubah menjadi logam yang sesuai dengan entropi magnet yang besar. Entropi raksasa ini (hampir satu Boltzmann perlahan per situs net) hanya dapat dijelaskan jika setiap situs moir memiliki kebebasan yang dapat berfluktuasi sepenuhnya. “

Analog elektronik dari efek Pomranchuk

“Entropi yang sangat tinggi ini mengingatkan kita pada pengaruh eksternal yang ditemukan di helium-3 sekitar 70 tahun lalu,” kata Erez Berg, profesor teori Weisman. “Kebanyakan material, saat dipanaskan, berubah dari padat menjadi cair. Ini karena cairan apa pun selalu memiliki entropi lebih tinggi daripada padatan, karena atom bergerak lebih tidak menentu daripada cairan daripada padatan. “” Namun, dalam helium-3, dalam sebagian kecil diagram fasa, material berperilaku sangat berlawanan dan lapisan suhu yang lebih tinggi membeku. Perilaku ini, yang dihipotesiskan oleh fisikawan teoretis Soviet Isaac Pomranchuk pada 1950-an, hanya dapat dijelaskan oleh sumber entropi “tersembunyi” lain dalam sistem. Dalam kasus helium-3, entropi ini berasal dari atom berputar bebas. “Ada (‘panah’ yang dapat menunjuk ke segala arah),” jelas Berg. “Dalam helium-3 cair, karena prinsip pengecualian Pauli, tepat separuh putaran harus naik dan separuh lainnya harus mengarah ke bawah, jadi putarannya bebas Tidak bisa berputar. Namun, pada tahap padat, atom terlokalisasi dan tidak pernah mendekati satu sama lain, sehingga putaran atomnya dapat berputar bebas. “

“Entropi dengan panjang masif yang kita lihat ketika terhubung dengan satu elektron per meter mirip dengan entropi di helium keras helium-3, tetapi dalam kasus grafena sudut ajaib kita memiliki elektron dan spin elektronik (atau momen magnet lembah),” katanya.

Diagram fase magnet

Untuk lebih membangun hubungan dengan efek Pomranchuk, tim mengukur diagram fase secara detail. Ini dilakukan dengan mengukur “kontraksi” elektron sistem – ini adalah betapa sulitnya untuk memangkas elektron ekstra dalam kisi tertentu (jenis pengukuran ini ditunjukkan dalam graphene bilayer yang diputar dalam pekerjaan tim sebelumnya). Pengukuran ini mengungkapkan dua fase berbeda yang dipisahkan oleh penurunan tajam dalam kompresi: entropi pendek, fase cair elektronik, dan fase padat dengan entropi tinggi dengan momen magnet bebas. Setelah melepaskan kompresor, para peneliti memetakan batas antara dua fasa sebagai fungsi suhu dan medan magnet, membuktikan bahwa batas pom berperilaku sesuai dengan ekspektasi dari efek Pomerachuk.

“Hasil baru ini menantang kami untuk memahami magic angle graphene,” kata Berg. “Kami membayangkan bahwa fase komponen ini sederhana – baik konduktif atau isolasi, dan diharapkan pada suhu serendah itu semua fluktuasi listrik akan membeku. Entropi magnet raksasa tidak berputar seperti yang terlihat

“Penemuan baru ini akan memberikan wawasan baru ke dalam fisika sistem elektron yang sangat terkait dan mungkin akan membantu menjelaskan bagaimana putaran berfluktuasi seperti itu mempengaruhi superkonduktivitas.”

Para peneliti mengakui bahwa mereka masih belum tahu bagaimana menjelaskan efek buah delima pada Magic Angle Graphene. Sama seperti helium-3, apakah elektron dalam fase padat berjauhan satu sama lain, meninggalkan momen magnetisnya sepenuhnya bebas? Elani mengakui, “Kami tidak yakin,” karena kami telah mengamati bahwa ia memiliki ‘kepribadian ludah’ – beberapa fiturnya terkait dengan elektron yang berjalan, yang lain hanya dapat ditafsirkan dengan memikirkan elektron sebagai terlokalisasi pada kisi. . ”

Referensi: Asaf Rosen, Taman Jiang Min, Uri Gendiner, Yuan Kao, Daniel Roden-Legrain, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Juval Oreg, Eddie Stern, Erez Berg, Pablo untuk “Efek Grafena Sudut Ajaib” Herero dan Shahal Ilani, 7 April 2021, Alam.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03319-3

Penelitian Profesor Shahal Ilani didukung oleh Program Jembatan Sagal Weizmann-MIT; Penghargaan Andre Delloro untuk Riset Ilmiah; Rosa dan Emilio Segre Research Awards; Dan Leona M dan Harry B. Helsley Charitable Trust.

Irving dan Cherna Moskovic mendukung penelitian Profesor Erez Berg.

Penelitian Profesor Jubal Oreg didukung oleh Ketua Profesional Fisika Eksperimental Lady Davis. Profesor Oreg adalah kepala Pusat Nanofisika Maurice dan Gabriela Goldschlager.

Penelitian Profesor Eddie Stern ada di Veronica. Didukung oleh Rabal Physics Wisdom Fund dan Zuckerman Stem Leadership Program.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.