Сотрудники Института ядерной физики СО РАН при изучении электрон-электронного взаимодействия в структуре графена выявили нестандартные свойства этого процесса. Они могут пролить свет на необычные характеристики самого материала.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures.

Графен — это монослой графита, который содержится, например, в грифеле карандаша. Графен представляет собой фактически плоскость, состоящую из шестиугольников, которые в свою очередь сложены из атомов углерода. Этот материал обладает рядом необычных свойств, среди которых высокая проводимость, теплопроводность, прочность и гидрофобность. Для понимания недостаточно изученной высокой проводимости графена требуется исследовать множество эффектов, таких как взаимодействие носителей заряда — совокупности совместно двигающихся электронов — с примесями, фононами (квазичастицами, описывающими колебания решетки) и между собой.

Исследователи из ИЯФ СО РАН выяснили, что этот конгломерат электронов имеет элементарный электрический заряд, но совершенно другую, по сравнению со свободной частицей, зависимость энергии от импульса. Вблизи нулевого импульса эта зависимость является линейной, то есть напоминает спектр частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

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. 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 бесконечно, но его нельзя получить в процессе рассеяния, то есть требуется другой метод», — рассказал заведующий теоретическим отделом ИЯФ СО РАН Александр Мильштейн.