Стабильный борный графен создан из трёхмерного кристалла — найдено квантовое состояние
С момента открытия графена в 2004 году учёные по всему миру создают двумерные аналоги привычных материалов. Графен — один слой атомов углерода — произвёл революцию в материаловедении. Следующий логичный кандидат — борный аналог, «борофен». Благодаря более сильным электронным взаимодействиям в таком слое должны возникать экзотические квантовые явления, недоступные в обычном графене. Проблема одна: идеальная двумерная структура из атомов бора нестабильна и практически не поддаётся синтезу.
Группа учёных под руководством Такафуми Сато из исследовательского института WPI-AIMR Университета Тохоку нашла обходной путь. Результаты опубликованы в Science Advances.
Элегантный обход нестабильности
Вместо того чтобы пытаться синтезировать свободностоящий листок атомов бора, исследователи нашли его там, где он уже существует: внутри стабильного трёхмерного кристалла LaRh₃B₂ (лантан-родий-боридный кристалл). В его структуре природным образом присутствует сотовый боровый слой — именно такой, какой нужен. Исследователи «обнажили» этот слой с помощью угловой фотоэмиссионной спектроскопии — метода, позволяющего изучать электронную структуру поверхности.
«Мы продемонстрировали принципиально новый способ создания двумерных квантовых материалов, — говорит Сато. — Вместо попыток получить нестабильный свободно лежащий листок атомов бора мы обнажили природный сотовый борный слой, уже существующий в стабильном трёхмерном кристалле».
Что нашли в слое
Угловая фотоэмиссионная спектроскопия выявила в боровом слое LaRh₃B₂ так называемую «плоскую зону» — особое электронное состояние, при котором электроны практически не движутся в пространстве, накапливая огромную кинетическую энергию. Это порождает сильные взаимодействия между электронами, способные привести к экзотическим явлениям: высокотемпературной сверхпроводимости, квантовому ферромагнетизму или фракционным квантовым состояниям.
Плоские зоны — «святой грааль» физики конденсированного состояния. Именно их исследование в закрученном двухслойном графене привело к открытию условной сверхпроводимости при «магическом угле» поворота. Боровый слой в LaRh₃B₂ открывает доступ к похожей физике без хрупкой и сложной в изготовлении структуры.
Более широкий смысл
Метод — искать уже готовые двумерные слои внутри стабильных объёмных кристаллов — открывает совершенно новый маршрут для синтеза квантовых материалов. В природе существуют тысячи слоистых кристаллических структур: некоторые из них, возможно, содержат «встроенные» двумерные системы с ещё не изученными свойствами.
Читайте также по теме: новых материалах для энергетики и электроники.
