Электроны могут перемещаться в графене почти со скоростью света – в 100 раз быстрее, чем в кремнии. Такое свойство делало бы его весьма перспективным материалом для будущих сверхпроизводительных транзисторов, если бы не проблема – электронную проводимость графена нельзя полностью остановить. Причиной коммутационных сложностей является отсутствие у монослоя графена запрещенной полосы – диапазона энергий, который не могут занимать электронные состояния. Без нее нельзя контролировать или модулировать электронный ток, а следовательно, нельзя реализовать достоинства графена в электронных и фотонных устройствах.

Ранее, в Berkeley Lab был найден способ создать запрещенные зоны заданного размера в двухслойном графене, подвергая его действию внешнего электрического поля. Но в составе устройств эти запрещенные зоны демонстрировали аномальное поведение – как будто проводимость в них не останавливалась. Это явление до последнего времени не находило научного объяснения.

Исследовательский коллектив отдела Advanced Light Source (ALS) в Berkeley Lab, возглавляемый Аароном Боствиком (Aaron Bostwick), использовав этот синхротронный источник рентгеновского излучения установил, что наложение монослоев графена происходит неидеально, создавая почти неразличимые рассогласования в двухслойной структуре. Поворот двумерных атомных решеток всего на 0,1° относительно друг друга приводит к неожиданно сильным изменениям электронных свойств двухслойного графена.

Такое скручивание создает совершенно новую электронную структуру, генерирующую массивные и не имеющие массы фермионы Дирака. Как утверждает Боствик, именно наличие этой безмассовой составляющей вызывает расхождения с теоретической моделью, нарушая изоляцию в двухслойном графене, даже при высокой интенсивности внешнего электрического поля.

Безмассовый фермион Дирака – виновник проблем коммутации в двухслойном графене

Боствик является одним из авторов статьи «Coexisting massive and massless Dirac fermions in symmetry-broken bilayer graphene» в Nature Materials, где более детально излагаются результаты этой работы.

Один из выводов, к которым пришли ученые, заключается в том, что искажения структуры, генерирующие безмассовые фермионы, практически неизбежно возникают в процессе создания двухслойного графена – несовпадения позиций всего десяти атомов на квадратный микрон уже приводят к появлению поворота.

Понимание того, что даже мельчайшим нарушением структуры нельзя пренебрегать при проектировании электронных свойств двумерных материалов, открывает два пути возможного решения проблемы. Это либо разработка технологий производства, минимизирующих эффект скручивания, либо уменьшение площади двухслойного графена, чтобы повысить вероятность получения локально чистого материала.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI