Ученые из Новосибирска нашли возможное объяснение многим странностям в том, как графен проводит электрический ток, изучая поведение и взаимодействие электронов внутри этого плоского материала. Их выводы были изложены в статье, опубликованной в журнале Physica E.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Константин Новоселов и Андрей Гейм, работающие в Великобритании выходцы из России, получили Нобелевскую премию 2010 года по физике за создание этого материала.
Он обладает массой парадоксальных и уникальных свойств. К примеру, графен проводит электрический ток и тепло лучше, чем металлы, несмотря на его абсолютно малую толщину, невероятно прочен и прозрачен для видимого света, а также он обладает крайне необычными полупроводниковыми свойствами в комбинации с другими "плоскими" материалами.
Многие из этих удивительных качеств графена ученые связывают с тем, что электроны внутри этого "нобелевского углерода" ведут себя не так, как носители заряда в обычных "трехмерных" материалах. По сути, электроны в нем движутся практически беспрепятственно, крайне редко сталкиваясь с "соседями", а их поведением управляют законы квантовой механики.
Как правило, изучая свойства проводников, ученые обычно просчитывают не движение одиночных электронов, а квазичастиц, своеобразных конгломератов носителей заряда, взаимодействующих между собой и с ионами в кристаллической решетке металлов и атомами "нобелевского углерода".
Сегодня физики предполагают, что в случае с графеном эти виртуальные носители заряда похожи по своим свойствам на экзотические заряженные частицы, движущиеся почти со скоростью света.
"Высокая электропроводимость графена определяется тем, что он существенно отличается по спектру заряженных квазичастиц от металлов и полупроводников. Чтобы продвинуться в понимании его свойств, мы сосредоточились на изучении взаимодействия носителей заряда в графене", — рассказывает Иван Терехов, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН.
Для решения этой задачи Терехов и его коллеги создали набор уравнений, описывающий взаимодействия одиночных электронов и учитывающий то, что на их поведение влияют соседние ионы. Используя эти выкладки, ученые просчитали последствия подобных встреч частиц, расположенных на разных энергетических уровнях, и раскрыли несколько эффектов, которые они не ожидали увидеть.
К примеру, ученые показали, что если разница в энергии электронов будет достаточно большой, то они будут не отталкиваться друг от друга, а начнут притягиваться и даже могут формировать локализованные состояния, экзотические долгоживущие структуры, похожие по свойствам на своеобразные атомы и молекулы.
Как возникает часть подобных структур и существует ли она в реальности, физики пока не могут сказать. С другой стороны, их существование, по мнению ученых, может объяснять многие аномальные свойства графена. Эти структуры, благодаря их долгому времени жизни, в принципе можно будет зафиксировать в ходе экспериментов, чем могут заняться коллеги-экспериментаторы ученых из Новосибирска.
Подпишись: