實驗發生特殊效應,雙層石墨烯結構中電子反隨溫度升高凍結

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 11 日 16:51 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


一般來說,電子在更高溫度下能更自由移動,但現在有 2 篇獨立研究各自觀察到,在以錯位方式堆疊的雙層石墨烯材料中,電子反而隨著溫度升高而「凍結」。

隨著大多數物質周圍溫度升高,粒子會被激發,這導致固體熔化成液體、液體蒸發成氣體,用熱力學來解釋就是更高的溫度導致更多的熵(entropy),而熵越高的系統越趨於混亂無序。

然而該規則也有例外,最明顯的例子就是 Pomeranchuk 效應,最初於液態氦-3(3He)中觀察到:當氦氣暴露於升高的溫度時反而會凍結。原因在於液態氦的固相熵比核自旋熵還要高,從而導致異常行為。

大多數材料在加熱時會從固體轉變為液體,這是因為液體具有比固體更大的熵,原子在液體中的移動比在固體中不穩定。然而在氦-3,材料的行為完全相反,固體狀態時反而具有更大的熵。

現在,科學家又在一個石墨烯系統發現了同樣的例外,電子在系統中反而隨著溫度升高而「凍結」成有序狀態。

石墨烯系統的構成通常很簡單,兩個獨立團隊都只是簡單地將一層石墨烯放在另一層石墨烯上,然後以特殊 1 度「魔角」稍稍使原子排列錯位,產生的莫爾紋會導致系統中電子速度降低,從而形成更大電阻,使系統接近絕緣體。

第一個研究團隊深入分析後發現該系統近絕緣體階段的熵,僅約自由電子自旋理論上預期值的一半;第二個研究團隊則發現這種絕緣材料中存在很大的磁矩。這些發現將為相關電子系統的物理學帶來新見解,甚至可能有助於解釋這種波動的自旋如何影響超導性。

團隊接下來需要進行進一步測量,以確定將電子同位旋從未極化轉換為極化所需的能量,並確定近絕緣相的電子同位旋波動,是增強還是損害了石墨烯系統的超導體相。

(首圖來源:shutterstock)

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