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.

На фото:

Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решетку. Автор AlexanderAlUS. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11294534

Источники

Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 22/07/2019
Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 23/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 22/07/2019
Сибирские физики обнаружили необычное поведения электронов в графене
Индикатор (indicator.ru), 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
Novosibirsk.4geo.ru, 22/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Война и мир (warandpeace.ru), 22/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Letnews.ru, 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
ТАСС, 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
Новости@Rambler.ru, 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 22/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Мировое обозрение (tehnowar.ru), 22/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Cont.ws, 22/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Novosibirsk.4geo.ru, 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
Mirtesen.sputnik.ru, 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
Зеленоград info (зеленоград-инфо.рф), 22/07/2019
Новосибирские физики предсказывают необычное поведение электронов в графене
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
Око планеты (oko-planet.su), 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
Взгляд.Ру, 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
SMIonline (so-l.ru), 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
НАРОДедин (narodedin.com), 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
Национальная ассоциация нефтегазового сервиса (nangs.org), 22/07/2019
Российские ученые нашли необычные свойства графена
РЫБИНСКonLine (ryb.ru), 22/07/2019
Ученые Сибирского отделения РАН открыли новые свойства графена
11news.ru, 22/07/2019
Физики из России открыли новое необычное свойство графена
Planet-today.ru, 23/07/2019
Квазиатом из двух одинаково заряженных квазичастиц
Коммерсантъ (kommersant.ru/nauka), 23/07/2019
Ученые открыли новое свойство графена
ИА Ореанда-Новости, 23/07/2019
Ученые открыли новое свойство графена
Seldon.News (news.myseldon.com), 23/07/2019
Физики из России открыли новое необычное свойство графена
Всемирная Россия (vseruss.com), 24/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Российский фонд фундаментальных исследований (rfbr.ru), 23/07/2019
Российские физики открыли новое свойство графена
Cont.ws, 24/07/2019
Странные электроны графена
Наука и жизнь (nkj.ru), 24/07/2019
Российские физики открыли новое свойство графена
RateNews.ru, 24/07/2019
Сибирские физики обнаружили необычное поведения электронов в графене
Nanonewsnet.ru, 24/07/2019
Российские физики открыли новое свойство графена
Seldon.News (news.myseldon.com), 24/07/2019
Российские физики открыли новое свойство графена
Финам.info, 24/07/2019
Российские физики открыли новое свойство графена
123ru.net, 24/07/2019
Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене
GisProfi (gisprofi.com), 26/07/2019
Ученые открыли новое свойство графена: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 26/07/2019
Российские физики открыли новое необычное свойство графена
Наука и техника (naucaitechnika.ru), 27/07/2019
Теоретики ИЯФ СО РАН предсказывают необычное поведение электронов в графене
1k.com.ua, 02/08/2019
Теоретики ИЯФ СО РАН предсказывают необычное поведение электронов в графене
Научная Россия (scientificrussia.ru), 02/08/2019
Теоретические работы российских физиков предсказывают необычное поведение электронов в графене
Nanonewsnet.ru, 05/08/2019

Похожие новости

  • 06/04/2017

    Германия выделит новосибирским ученым-ядерщикам 30 миллионов евро на совместные научные разработки

    Один из примеров сотрудничества - проект рентгеновского лазера, успешно развивающийся  в Гамбурге. Это оборудование, которое сможет помочь изучить структуру любого вещества одним пучком света, было изготовлено в столице Сибири.
    1740
  • 12/02/2019

    «Академический час» в Отделении ГПНТБ СО РАН

     14 февраля в 15:00 в конференц-зале Отделения ГПНТБ СО РАН в рамках программы «Академический час» состоится научно-популярная лекция «Хиггс Бозон и все, все, все...». Лектор: Лукин Петр Анатольевич, к.
    698
  • 25/01/2017

    Академику Геннадию Кулипанову исполняется 75 лет

    Геннадий Николаевич Кулипанов родился 25 января 1942 года в г. Щучинск Кокчетавской области Казахской ССР. В 1963 году окончил Новосибирский электротехнический институт (в настоящее время - Новосибирский государственный технический университет).
    1567
  • 08/08/2016

    Анатолий Шалагин: аддитивные технологии открывают перед человечеством принципиально новые возможности

    ​Директор Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин из тех, кто не любит много говорить, а сразу предлагает пройтись по лабораториям. "Лучше один раз увидеть", - считает он .
    3311
  • 25/05/2018

    Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в экспериментах на будущем новосибирском коллайдере

    ​Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере - Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем планируемой установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц.
    937
  • 14/11/2018

    Академик Александр Скринский получил высокую государственную награду

    ​Научный руководитель Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН академик Александр Николаевич Скринский награжден Орденом Почёта за заслуги в развитии науки и многолетнюю добросовестную работу Указом президента РФ от 13 ноября 2018 года.
    929
  • 28/02/2019

    В ЦЕРН обнаружили новую частицу, которая уточнит кварковую модель

    ​Коллаборация LHCb (CERN, Европейская организация по ядерным исследованиям), в которую входят Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирский государственный университет (НГУ), объявила об открытии нового состояния c-кварка и анти c-кварка – частицы ψ3(1D).
    859
  • 15/12/2016

    Директор ИЯФ СО РАН Павел Логачёв об ответственности академика, коллайдерах и Нобелевских премиях

    Для доктора физико-математических наук Павла Логачёва последние два года отмечены важными вехами в карьере. В 2015 году он стал третьим по счёту после Герша Будкера и Александра Скринского директором Института ядерной физики СО РАН — крупнейшего академического института России.
    4626
  • 05/05/2017

    В новосибирском Академгородке появится экспериментальный вулкан

    ​10 мая Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера и Институт геологии и минералогии им. В.В. Соболева проведут совместный открытый эксперимент, который продемонстрирует процессы, проходящие внутри Земли во время вулканической активности.
    1621
  • 27/03/2017

    Новосибирские ученые создали материал, обеспечивающий 30 лет непрерывной работы химического реактора

    Ученые из Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН и Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) создали новую технологию сплавления титана и тантала, в результате чего получили особо стойкий к коррозии и агрессивным средам материал.
    2420