Большинство материалов при нагревании меняют состояние с твердого на жидкое. Редкое исключение — гелий-3. Аналог этого экзотического эффекта Померанчука открыли специалисты из Израиля и США в графене, одноатомные слои которого расположены особым образом по отношению друг к другу. Правда, объяснить его они пока не могут.

Результаты, опубликованные в журнале Nature, стали возможны благодаря первым измерениям электрической энтропии в двухмерных материалах.

«Энтропия описывает уровень хаоса в материалах и определяет, какие из их фаз стабильны при различных температурах, — объяснил профессор Шахал Илани из Института Вайцмана (Израиль). — Наша команда измерила электронную энтропию в графене с магическим углом. Мы хотели раскрыть некоторые из его тайн, но обнаружили другой сюрприз».

Энтропия — базовое физическое свойство, которое непросто измерить напрямую. При низких температурах большая часть степеней свободы в проводящем материале замерзает, и только электроны способствуют энтропии. В объемных материалах достаточно электронов, так что можно измерить их теплоемкость и из нее вывести энтропию. В двухмерных материалах, из-за малого количества электронов, такие измерения делать крайне сложно.

Команда физиков из Института Вайцмана применила уникальный сканирующий микроскоп, состоящий из одноэлектронного транзистора из углеродных нанотрубок, расположенного на конце консоли сканирующего датчика, пишет Phys.org. Этот инструмент может делать снимки электростатического потенциала в материале.

Когда ученые проводили замеры при высоком магнитном поле, энтропия выглядела абсолютно нормально. Однако при нулевом магнитном поле электроны проявляли чрезмерную энтропию, и это удивило исследователей. Она возникала, когда часть электронов в системе находилась в определенном положении в «сверхрешетке», образованной слоями графена, наложенными друг на друга с небольшим смещением, образующим муаровую картину.

Чрезмерная энтропия — около 1 постоянной Больцмана на место в решетке — напомнило ученым об экзотическом эффекте, открытом 70 лет назад в гелии-3. Этот материал, вместо того чтобы становиться жидким при нагревании, твердеет с ростом температуры. Этот эффект, предсказанный советским физиком Исааком Померанчуком в 1950-х, может быть объяснен только существованием скрытого источника энтропии в системе. Правда, в случае графена вместо атомов и ядерных спинов электроны и электронные спины.

Проведя подробный анализ фазовой диаграммы, физики открыли, две различные фазы, разделенные четким падением сжимаемости: фазу низкой энтропии и фазу высокой энтропии. Также они зафиксировали границу между ними как функцию от температуры и магнитного поля, демонстрирующую, что фазовая граница ведет себя в точном соответствии с эффектом Померанчука. Исследователи пока не могут объяснить этот феномен.