Физики обнаружили новый тип квазичастиц в графене

16 ноября 2020
18

Ученые обнаружили новый тип квазичастиц в графене, которые назвали фермионами Брауна-Зака. По своему поведению в магнитном поле они отличаются от дираковских фермионов, имеют высокую подвижность и длину свободного пробега, превышающую несколько микрометров. Работа опубликована в Nature communications.

Свободные электроны в магнитном поле подчиняются законам классической физики: если направление поля перпендикулярно направлению движения электрона, то его траектория закручивается и он начинает двигаться по окружности. Если проекция скорости электрона на направление магнитного поля не нулевая, то траектория частицы представляет собой спираль вдоль направления поля. Причем чем сильнее магнитное поле, тем сильнее в нем закручивается траектория электрона. Только при нулевых или очень слабых полях электроны могут двигаться по прямым или баллистическим траекториям. 

Электроны в кристаллической решетке ведут себя немного сложнее, чем свободные, из-за наличия периодического потенциала самой решетки (его движение рассматривается как движение квазичастицы). При постоянном электрическом поле электрон (или любая другая частица) в твердом теле будут осциллировать, такие осцилляции называются осцилляциями Блоха. Наблюдать их можно, например в сверхрешетках — таких структурах, в которых помимо периодического потенциала кристаллической решетки существует дополнительный периодический потенциал с периодом больше постоянной решетки. Чаще всего для получения сверхрешеток соединяют два материала с разными постоянными решетки. В магнитном поле они демонстрируют сложный фрактальный спектр, который называют бабочкой Хофштадтера. 

Физики исследовали сверхрешетки на основе монослоя графена, заключенного между слоями нитрида бора. С помощью электронно-лучевой литографии они получали структуры разной геометрии и размеров для проведения экспериментов. Для того чтобы изучить поведение частиц в графене они меняли магнитное поле и концентрацию носителей, что приводило к изменению продольной проводимости материала и давало информацию о строении электронных уровней. Кроме того, авторы следили за значением подвижности носителей заряда при разных температурах и значениях магнитного поля. Оказалось, что подвижности частиц могут достигать порядка миллиона см2 В-1 с-1, а длина свободного пробега составляет несколько микрометров при ненулевых значениях магнитного поля.

При определенных значениях магнитных полей фермионы Брауна-Зака ведут себя не как дираковские. Эти значения связаны с отношением магнитного потока к квантовому магнитному потоку, при котором восстанавливается трансляционная симметрия системы. Электронный спектр сверхрешетки в таком случае можно описывать в терминах блоховских состояний.

Сам спектр продольной проводимости имеет веерную структуру, которая позволяет различить уровни Ландау. Эти вееры расходятся от точек нейтральности графена и сингулярностей Ван Хова, что свойственно для сверхрешеток графена. Тем не менее некоторые мини-вееры демонстрировали аномальное поведение при низких температурах, которые не получается объяснить существующими теориями. Наличие аномальных изгибов может указывать на наличие электронных состояний, отличных от уровней Ландау. Поскольку электрон-электронные взаимодействия играют значительную роль в описанных экспериментах, они тоже могут быть причиной аномалий. Пока точного объяснения аномального поведения энергетических уровней, ученые продолжают их дальнейшее исследование.