Гексагональная решётка углерода толщиной в один атом известна рекордно высокой подвижностью электронов. Теперь же учёные открыли, что совмещённые две такие плоскости при определённых условиях превращаются в изолятор.

Новое явление обнаружила группа физиков из трёх научных учреждений США. Оказалось, что в сдвоенном графене (bilayer graphene — BLG) существует запрещённая зона, которой вовсе нет в графене однослойном.

Из-за этого в условиях, когда число электронов, бегущих по углеродной плоскости, очень мало, такой материал ведёт себя как изолятор.

Рис. 1. Схема двухслойного графена. Синие шарики – атомы углерода (иллюстрация Lau lab, UC Riverside).

Ведущий автор работы, Чунь Нин Лау (Chun Ning Lau) из Калифорнийского университета в Риверсайде, объясняет:

«BLG становится изолятором, потому что его электроны спонтанно организовывают себя, когда их количество невелико. Вместо того чтобы передвигаться случайным образом, электроны движутся в определённом порядке.

Это называется спонтанным нарушением симметрии. И это очень важное понятие, так как тот же самый принцип „наделяет“ массой частицы в физике высоких энергий».

Масса интересовала и разработчиков данного опыта – масса виртуальных частиц, формирующихся из электронов внутри кристалла BLG. Команда нашла такие частицы и исследовала их поведение в присутствии электрического и магнитного полей.

Полученные результаты больше относятся к теоретической физике, а вот прикладное значение BLG может найтись в электронике.

Авторы работы выяснили, что ширина запрещённой зоны в BLG растёт вместе с внешним магнитным полем, а следовательно, ею можно управлять и создавать на этой базе электронные компоненты вроде транзисторов. Кроме того, команда предполагает, что ещё более широкую запрещённую зону учёные найдут в трёхслойном и четырёхслойном графене. И с такими материалами авторы исследования уже начали работать.

Результаты исследований опубликованы в статье:

J. Velasco Jr, L. Jing, W. Bao, Y. Lee, P. Kratz, V. Aji, M. Bockrath, C. N. Lau, C. Varma, R. Stillwell, D. Smirnov, Fan Zhang, J. Jung & A. H. MacDonald Transport spectroscopy of symmetry-broken insulating states in bilayer graphene. – Nature Nanotechnology. – 2012ю – doi:10.1038/nnano.2011.251.