Графен – это материал, который популярен благодаря своим уникальным электрическим, механическим и оптическим свойствам, а также уникальной теплопроводности. В будущем, возможно, этот материал получит широкое распространение в области наноэлектроники. С использованием этого материала учёные надеются создать энергоэффективные процессоры, способные обрабатывать больший объем данных при меньшем нагреве.
Сотрудники теоретического отдела Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) при изучении электрон-электронного взаимодействия в графене обнаружили весьма необычные свойства этого процесса, которые могут пролить свет на некоторые из свойств графена. Результаты опубликованы в журналах Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures и Physical Review B.
Графен – двумерный материал, состоящий из атомов углерода, уложенных в шестиугольную решетку. Если посмотреть на грифель карандаша под мощным микроскопом, то можно увидеть, что он имеет слоистую структуру, где каждый слой и есть графен. Хотя теоретические исследования свойств этого материала начались еще в 1947 г., синтезировать графен для экспериментальных исследований долгое время не получалось, поскольку двумерный кристалл в трехмерном пространстве нестабилен. Получить графен удалось лишь в 2004 г. После синтеза этого материала началось интенсивное изучение его свойств, например, было показано, что графен обладает уникальной электрической проводимостью, а движение носителей заряда напоминает движение релятивистских частиц. Кроме того, материал обладает уникальной теплопроводностью и прочностью. За работы по созданию и изучению графена в 2010 году была присуждена Нобелевская премия.
Для того, чтобы разобраться со свойствами графена и определить его место в прикладных областях науки и техники, необходимы как экспериментальные, так и теоретические исследования материала. Для понимания высокой проводимости требуется исследовать множество эффектов, таких как взаимодействие носителей заряда с примесями, с фононами (квазичастицами, описывающими колебания решетки) и между собой. Этими носителями заряда являются не обычные электроны, а конгломерат электронов, вовлечённых в движение благодаря взаимодействию между собой и с ионами кристаллической решётки. Этот конгломерат электронов (заряженная квазичастица) при учёте зарядов ионов, имеет электрический заряд, равный заряду электрона, но совершенно другую, по сравнению со свободным электроном, зависимость энергии от импульса (то есть спектр). Вблизи нулевого импульса эта зависимость является линейной, то есть напоминает спектр частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.
«Высокая электрическая проводимость графена, которая и делает его перспективным для применения в наноэлектронике, определяется тем, что спектр заряженных квазичастиц в графене существенно отличается от их спектра в металлах и полупроводниках, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Иван Терехов. – Чтобы продвинуться в понимании свойств графена, мы сосредоточились на изучении взаимодействия носителей заряда в графене. При абсолютном нуле температуры заряженные квазичастицы занимают все состояния с энергиями ниже некоторой. Эта максимальная энергия называется энергией Ферми. Представим себе, что мы добавили ещё две квазичастицы выше энергии Ферми. Наши результаты показали, что взаимодействие этих квазичастиц между собой зависит от разницы между их энергией и энергией Ферми».
Существенная разница между взаимодействием двух свободных электронов и двух квазичастиц состоит в том, что два свободных электрона отталкиваются, а между двумя квазичастицами может возникать эффективное притяжение и даже образование локализованного состояния, своего рода атома, состоящего из двух электрически одинаково заряженных квазичастиц.
«Можно выделить два типа этих локализованных состояний. В первом случае локализованное состояние проявляет себя в виде долгоживущего резонанса, возникающего в процессе рассеяния одной квазичастицы на другой, – поясняет заведующий теоретическим отделом ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Александр Мильштейн. – Время жизни этого резонанса определяется разностью между энергией квазичастиц и энергией Ферми: чем больше эта разница – тем больше время жизни. Во втором случае время жизни локализованного состояния формально является бесконечным, но это состояние нельзя получить в процессе рассеяния, то есть требуется другой метод его рождения».
Таким образом, теоретические результаты сотрудников ИЯФ СО РАН, направленные на изучение поведения электронов в графене, могут не только пролить свет на понимание необычных свойств графена, но и открывают широкие возможности для экспериментального изучения необычных явлений, происходящих в этом материале.