Grafenas, vieno atomo storio anglies lakštelis, teoretikams ramybės nedavė dar gerokai prieš jį sukuriant laboratorijose. Nors teorija numato neįtikėtinas šios medžiagos savybes, patikrinti jas eksperimentiškai – darbas ne iš lengvųjų.
Visai neseniai tyrėjai iš JAV Energijos departamento Lorenco Berklio nacionalinės laboratorijos žengė svarbų žingsnį, patvirtinantį grafeno unikalumą.
„Grafenas nėra nei puslaidininkis, nei izoliatorius ir netgi ne metalas, – teigia Deividas Sigelis (David Siegel), pagrindinis žurnale „Proceedings of the National Academy of Sciences“ pasirodžiusio straipsnio autorius. – Jis priklauso ypatingai pusmetalių rūšiai, kurios elektroninės savybės yra kur kas įdomesnės, nei galima pamanyti iš pirmo žvilgsnio“.
D. Sigelis kartu su kolegomis tyrinėja specialiai paruoštą grafeno bandinį, kad išsiaiškintų, kaip nelegiruotas grafenas (neturintis jokių papildomų krūvininkų) elgiasi vadinamojo Dirako taško aplinkoje.
Dirako taškas yra išskirtinė grafeno juostinės sandaros ypatybė. Kitaip nei puslaidininkių atveju, grafenas neturi draudžiamosios energijos tarpo – tuščios juostos, skiriančios elektronais užpildytą valentinę ir neužpildytą laidumo juostą. Grafene šios juostos yra vaizduojamos dviem kūgiais (Dirako kūgiais), kurie susiliečia Dirako taške. Kuomet valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta visiškai tuščia, grafeną galima laikyti „nelegiruotu“ arba „elektriškai neutraliu“. Tyrėjai atkreipė dėmesį, kad tuomet atsiskleidžia kelios įdomios grafeno savybės.
Tai, kaip elektronai sąveikauja nelegiruotame grafene, gerokai skiriasi nuo vaizdo metale: kūgio šonuose susidaro atskira vidinė kreivė, parodanti, jog elektroninės sąveikos veikia kur kas didesniu atstumu, siekiančiu net 790 angstremų. Be to, išauga ir elektronų greičiai. Reikia pripažinti, jog tai itin neįprastas reiškinys.
Tam, kad būtų galima geriau įvertinti tyrėjų komandos pasiekimus, reikėtų panagrinėti, kaip buvo atliktas eksperimentas. Idealiu atveju nelegiruoto grafeno matavimus reikėtų atlikti, kuomet šis neturi sąlyčio su jokia kita medžiaga. Vis dėlto atliekant realius eksperimentus, bandinį dažniausiai būtina pritvirtinti prie padėklo, tačiau šis gali paveikti elektronines grafeno lakštelio savybes.
Taigi D. Sigelis kartu su kolegomis nutarė nagrinėti ypatingą „kvaziatskirto“ grafeno rūšį. Tyrėjų darbų pradžia – silicio karbido padėklas. Kuomet ši medžiaga pakaitinama, silicis atsiskiria, o anglis susitelkia į ganėtinai storą grafito sluoksnį. Tačiau kaimyniniai grafeno sluoksniai, esantys storame grafito bandinyje, yra vienas kito atžvilgiu pasisukę, todėl kiekvienas iš jų elgiasi lyg būtų pavienis atskirtas sluoksnis.
„Kietųjų kūnų fizikoje vienas iš fundamentaliausių klausimų, kurį galima paklausti apie medžiagą, yra jos krūvininkų prigimtis, – pasakoja mokslininkas. – Įprastinių medžiagų atveju atsakymą galima pateikti remiantis išbaigčiausia kietųjų kūnų teorija, vadinama Landau Fermio skysčių teorija“. Levas Landau buvo vienas žymiausių sovietinės imperijos fizikų, o Enriko Fermio kilmė itališka, nors mokslininkas didžiąją gyvenimo dalį praleido JAV.
Nors atskiri elektronai ir perneša krūvį, pavyzdžiui, elektrovės srovė varinėje vielutėje, netgi metaluose į juos negalima žiūrėti kaip į paprastas, nepriklausomas daleles. Kadangi jie nuolat sąveikauja su kitomis dalelėmis, į šias sąveikas būtina atsižvelgti. Elektronus ir jų sąveikas galima apibendrinti „kvazidalelių“ vardu. Šie dariniai elgiasi panašiai kaip laisvieji elektronai, tiktai skiriasi jų masės ir greičiai. Šiuos skirtumus galima surasti atlikus matematinę procedūrą, vadinamą renormalizacija.
Landau Fermio skystį sudaro kvazidalelės. Be to, kad Fermio skysčiai aprašo elektronų savybės ir jų sąveikas, jie pasižymi ir kitomis ypatybėmis. Įdomu tai, kad daugeliui medžiagų pritaikoma praktiškai tas pats teorijos pavidalas. Jis išlieka ir tuomet, kai krūvininkai „aprengiami“ daugelio kūnų sąveikomis, kurios taip pat ekranuoja elektronus ir sumažina jų toliaveikį poveikį.
„Kadangi daugelio medžiagų savybės yra aprašomos praktiškai tuo pačiu būdu, fizikus visada sudomina sistemos, kurios skiriasi nuo įprastinio Fermio skysčio, – porina D. Sigelis. – Būtent tai padaro mūsų rezultatus tokius išskirtinius. Nelegiruotas grafenas iš tikrųjų skiriasi nuo to, kas vadinama normaliu Fermio skysčiu, o mūsų rezultatai labai neblogai atitinka teorinius skaičiavimus“.
Turbūt pats aiškiausias skirtumų pavyzdys yra toliaveikė grafeno elektronų sąveika, kuri įprastiniame metale būtų paprasčiausiai ekranuota. Mokslininkas mano, jog grafenas gali pateikti dar ne vieną staigmeną, „tačiau kol kas svarbiausia yra tai, kad mes patvirtinome šių neekranuotų toliaveikių sąveikų, iš esmės keičiančių grafeno kvazidalelių elgesį, egzistavimą“.
