Jednou ze speciálních vlastní grafenu je to, že elektrony se v něm navzájem ovlivňují; dalo by se říci, že se chovají jako jeden celek. Speciálně to platí pro dvouvrstvý grafen, jehož obě vrstvy jsou vůči sobě pootočené. Jedním z možných důsledků takových stavů je supravodivost.
Tým vědců pod vedením Klause Ensslina a Thomase Ihna z ETH v Curychu společně s kolegy z Texaské univerzity v Austinu nyní pozoroval nový stav ve zkroucených dvojitých vrstvách grafenu. Záporně nabité elektrony a kladně nabité díry, spolu v tomto případě opět existují v silné vzájemné korelaci, ovšem materiál se přitom naopak stává elektricky nevodivým.
Autoři výzkumu vzali dvě vrstvy grafenu o tloušťce dvou atomů a ty vůči sobě poootočili o více než 2° (nejčastěji studovaný známý „magický úhel“ vrstev grafenu je 1,1 stupně). Za této situace již elektrony v podstatě nemohou mezi dvojitými vrstvami tunelovat.
Jak vše funguje? Působením vnějšího elektrického pole mohou v jedné z dvojvrstev začít převažovat volné elektrony a v druhé díry. Jak elektrony, tak díry mohou vést elektrický proud. Proto by se dalo očekávat, že obě grafenové dvojvrstvy dohromady vytvoří ještě lepší vodič s menším odporem.
Za určitých okolností však může dojít k přesnému opaku, uvádí Folkert de Vries z ETH: „Pokud upravíme elektrické pole tak, aby byl ve dvojvrstvách stejný počet elektronů a děr, odpor se náhle prudce zvýší.“ Několik týdnů si Ensslin a jeho spolupracovníci nedokázali tento překvapivý výsledek vysvětlit, ale nakonec jim Allan H. MacDonald z Texaské univerzity v Austinu oznámil, že zřejmě pozorovali nový druh hustotní vlny (density wave).
Vlny hustoty náboje obvykle vznikají v jednorozměrných vodičích, když elektrony v materiálu společně vedou elektrický proud a zároveň se prostorově uspořádávají do vln. V experimentu, který provedli vědci z ETH, to byly nyní elektrony a díry, které se navzájem párovaly elektrostatickou přitažlivostí, a vytvářely tak kolektivní hustotní vlnu. Tato hustotní vlna se však nyní skládá z elektricky neutrálních párů elektron-díra, takže obě dvojité vrstvy dohromady již elektrický proud vést naopak nemohou, vysvětluje průvodní tisková zpráva ETH Zurich.
Tento zcela nový korelovaný stav elektronů a děr nemá žádný celkový náboj, podle autorů výzkumu nicméně může přenášet informace nebo vést teplo. Navíc je na něm zvláštní to, že ho můžeme zcela ovládat pomocí úhlu stočení a přiloženého napětí. Trochu podobné jevy byly pozorovány i v jiných materiálech, v nichž se páry elektron-díra (excitony) vytvářejí excitací pomocí laserového světla. V tomto případě se však elektrony a díry nacházejí v základním stavu (stavu s nejnižší energií), což znamená, že jejich životnost není omezena a nedochází k žádnému spontánnímu rozpadu při přechodu do stavu s nižší energií.
Autoři výzkumu spekulují o tom, že tento korelovaný stav by se snad mohl uplatnit v pamětech („kvantových pamětech“); výhodou celkově neutrálního náboje je, že by zařízení nereagovala na šum vnějšího elektrického pole, jednotlivé bity se vzájemně neovlivňovaly atd. Související představy mají ovšem k jakékoliv praktické realizaci ještě dost daleko…
Peter Rickhaus et al, Correlated electron-hole state in twisted double-bilayer graphene, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abc3534
Zdroj: ETH Zurich / Phys.org