Двухслойный графен теоретически может быть сегнетоэлектриком
Теоретические расчеты особенностей транспорта заряда в сдвоенных слоях графена, проведенные сразу двумя исследовательскими группами, показали, что подобная структурная модификация углерода обеспечивает еще более удивительные электронные свойства. В частности, возможен фазовый переход в сегнетоэлектрическое состояние.
Много было сказано о примечательных и, порой, даже неожиданных свойствах одноатомного слоя атомов углерода, образующих гексагональную двумерную кристаллическую решетку, - графена. Основная особенность «двумерного вещества» в том, что свободные электроны даже с низкой энергией могут путешествовать через него, практически не взаимодействуя с атомами кристаллической решетки, т.е. вести себя как релятивистские частицы с нулевой массой покоя. Это поведение совсем не типично для других проводников и полупроводников.
Некоторые особенности поведения носителей тока в графене идентичны эффектам, наблюдаемым для быстрых электронов в физике высоких энергий. Важно, что при этом уже нельзя пренебречь Кулоновскими взаимодействиями между электронами, что делает макро-поведение графена радикально отличным от того, что мы привыкли наблюдать у любых других вариантов конденсированного вещества.
Казалось бы, нет вещества удивительнее графена. Однако, последние расчеты показали, что целый комплекс новых сюрпризов может преподнести науке сдвоенный слой атомов углерода. Технически двойной слой графена занимает промежуточную позицию между уже известным одноатомным слоем («классическим» графеном) и привычным трехмерным кристаллом графита. Двухслойная кристаллическая решетка обеспечивает хоть небольшую, но не нулевую дисперсию электронов. В этом случае носители заряда ведут себя как частицы с небольшой, но не нулевой массой покоя. Поведение электронов наилучшим образом согласуются с так называемой жидкостью Люттингера – теоретической моделью, описывающей взаимодействия любых фермионов (частиц и квазичастиц с полуцелым спином) в одномерном проводнике (например, углеродной нанотрубке).
Развивая эту модель, параллельно сразу две группы выполнили расчеты, чтобы лучше понять особенности поведения электронного газа в двухслойном графене. Результаты расчетов были опубликованы в журнале Physical Review B. Теоретические исследования показали, что наличие второго слоя графена обеспечивает возможность новых фазовых переходов в состояния нарушенной симметрии при низких температурах, в частности, в сегнетоэлектрическое состояние. Это означает, что при определенной температуре графен может не только проявлять диэлектрические свойства, но и иметь свой собственный дипольный момент, который можно переориентировать за счет внешнего электрического поля.
Безусловно, пока эти исследования находятся лишь на стадии теоретического расчета, и до перехода на практическую стадию ученым предстоит еще много работы. Однако, надежду исследователям дает тот факт, что численные оценки показывают: эффект, вероятно, может наблюдаться с помощью существующих экспериментальных методик.
