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Thursday, April 22, 2021

आश्चर्यचकित करने वाली एंट्रॉपी माप “मैजिक-एंगल” ग्राफीन में विदेशी प्रभाव को प्रकट करता है

जादू कोण ग्राफीन में पोमेरानचुक प्रभाव

मैजिक कोण ग्राफीन में पोमेरानचुक प्रभाव, दो चरणों के बीच एक विदेशी संक्रमण का खुलासा: ए (फर्मी) तरल चरण, जहां इलेक्ट्रॉनों के स्थानिक विकार अव्यवस्थित होते हैं, लेकिन उनके चुंबकीय क्षण (तीर) पूरी तरह से संरेखित होते हैं, और एक ठोस जैसा चरण जहां इलेक्ट्रॉनों अंतरिक्ष में आदेश दिया जाता है लेकिन उनके चुंबकीय क्षण स्वतंत्र रूप से प्रवाहित होते हैं। काउंटरिंटुइलाइटिक रूप से, तरल चरण गर्म होने पर ठोस जैसे चरण में बदल जाता है। साभार: वीज़मैन इंस्टिट्यूट ऑफ़ साइंस

वेइज़मैन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस और मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने मुड़ बाइलियर में एक आश्चर्यजनक चरण संक्रमण की खोज की ग्राफीन

अधिकांश सामग्री गर्म होने पर ठोस पदार्थों से तरल में चली जाती है। एक दुर्लभ प्रति-उदाहरण हीलियम -3 है, जो गर्म होने पर जम सकता है। पोमेरानचुक प्रभाव के रूप में जाना जाने वाला यह काउंटरिंटुइक्टिव और विदेशी प्रभाव, अब जादू-कोण ग्राफीन के रूप में जाने वाली सामग्री में अपने इलेक्ट्रॉनिक एनालॉग को मिल सकता है, वेज़मैन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस के शोधकर्ताओं के एक दल ने प्रो.शाहुल इलानी के नेतृत्व में सहयोग से कहा। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में पाब्लो जरिलो-हेरेरो के समूह (साथ से) का है।

यह परिणाम, आज (7 अप्रैल, 2021) में प्रकाशित हुआ प्रकृति, एक परमाणु-पतली दो आयामी सामग्री में इलेक्ट्रॉनिक एन्ट्रापी के पहले कभी माप के लिए धन्यवाद। इलानी बताते हैं, “एंट्रोपी एक सामग्री में विकार के स्तर का वर्णन करता है और निर्धारित करता है कि उसका कौन सा चरण अलग-अलग तापमान पर स्थिर है।” “हमारी टीम ने अपने कुछ उत्कृष्ट रहस्यों को सुलझाने के लिए जादुई कोण ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनिक एन्ट्रापी को मापने के लिए स्थापित किया, लेकिन एक और आश्चर्य की खोज की।”

विशाल चुंबकीय एन्ट्रापी

एन्ट्रॉपी एक बुनियादी भौतिक मात्रा है जो सीधे समझ या मापना आसान नहीं है। कम तापमान पर, एक संचालन सामग्री में स्वतंत्रता के अधिकांश अंश बाहर जम जाते हैं, और केवल इलेक्ट्रॉन ही एन्ट्रापी में योगदान करते हैं। थोक सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉनों की बहुतायत होती है, और इस प्रकार उनकी गर्मी क्षमता को मापना संभव है और इससे एंट्रोपी घट जाती है। एक परमाणु-पतली दो-आयामी सामग्री में, इलेक्ट्रॉनों की कम संख्या के कारण, ऐसा माप बेहद चुनौतीपूर्ण हो जाता है। अब तक, इस तरह की प्रणालियों में एन्ट्रापी को मापने में कोई भी प्रयोग सफल नहीं हुआ।

एन्ट्रापी को मापने के लिए, वीज़मैन टीम ने एक अद्वितीय स्कैनिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग किया, जिसमें एक कार्बन नैनोट्यूब एकल-इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर शामिल था, जो एक स्कैनिंग जांच कैंटिलीवर के किनारे पर स्थित था। यह उपकरण एक सामग्री में एक अभूतपूर्व संवेदनशीलता के साथ इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता को स्थानिक रूप से छवि दे सकता है। मैक्सवेल के संबंधों के आधार पर जो एक सामग्री के विभिन्न थर्मोडायनामिक गुणों को जोड़ते हैं, कोई इन इलेक्ट्रोस्टैटिक मापों का उपयोग इलेक्ट्रॉनों के एन्ट्रापी की सीधे जांच करने के लिए कर सकता है।

“जब हमने उच्च चुंबकीय क्षेत्रों में माप का प्रदर्शन किया, तो इलेक्ट्रॉनों के पारंपरिक (फर्मी) तरल के अपेक्षित व्यवहार के बाद, एन्ट्रापी बिल्कुल सामान्य दिखी, जो कि सबसे अधिक मानक अवस्था है जिसमें कम तापमान पर इलेक्ट्रॉन मौजूद होते हैं। हैरानी की बात है, हालांकि, शून्य चुंबकीय क्षेत्र में, इलेक्ट्रॉनों ने विशाल अतिरिक्त एन्ट्रॉपी का प्रदर्शन किया, जिनकी उपस्थिति बहुत रहस्यमय थी। ” इलानी का कहना है। यह विशाल एन्ट्रापी तब सामने आई जब सिस्टम में इलेक्ट्रॉनों की संख्या जादुई कोण ग्राफीन में गठित कृत्रिम “सुपरलैटिस” के प्रत्येक साइट के लगभग एक थी।

ग्राफीन की मुड़ परतों में कृत्रिम “अतिशयोक्ति”

ग्राफीन एक है परमाणु हेक्सागोनल जाली में व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं के मोटे क्रिस्टल। जब दो ग्राफीन शीट को एक दूसरे के ऊपर एक छोटे और विशेष, या “जादू”, मिसलिग्न्मेंट कोण के साथ रखा जाता है, तो एक आवधिक मोरी पैटर्न दिखाई देता है जो सामग्री में इलेक्ट्रॉनों के लिए एक कृत्रिम “सुपरलैटिस” के रूप में कार्य करता है। Moiré पैटर्न कपड़ों में एक लोकप्रिय प्रभाव है और जहाँ भी एक जाल एक दूसरे से थोड़ा कोण पर निकलता है, वहां उभरता है।

मैजिक एंगल ग्राफीन में, इलेक्ट्रॉन चार स्वादों में आते हैं: स्पिन “अप” या “डाउन”, और दो “वैली”। प्रत्येक moiré साइट इस प्रकार चार इलेक्ट्रॉनों को पकड़ सकती है, प्रत्येक स्वाद में से एक।

शोधकर्ताओं को पहले से ही पता था कि यह प्रणाली एक सरल इन्सुलेटर के रूप में व्यवहार करती है जब सभी मोरी साइट पूरी तरह से भरे हुए हैं (प्रति साइट चार इलेक्ट्रॉन)। 2018 में, हालांकि, प्रो। जारिलो-हेरेरो और उनके सहयोगियों ने अपने आश्चर्य की खोज की कि यह अन्य पूर्णांक भरावों (दो या तीन इलेक्ट्रॉन प्रति मोइरे साइट) पर इन्सुलेट किया जा सकता है, जिसे केवल समझाया जा सकता है यदि इलेक्ट्रॉनों का सहसंबद्ध राज्य बनता है। हालांकि, एक इलेक्ट्रॉन प्रति मोरी साइट के भरने के पास, परिवहन माप के विशाल बहुमत ने संकेत दिया कि प्रणाली एक साधारण धातु के रूप में व्यवहार करते हुए काफी सरल है। यह ठीक उसी जगह है जहां वीज़मैन-एमआईटी टीम द्वारा एन्ट्रापी माप सबसे आश्चर्यजनक परिणाम मिला।

डॉ। आसफ रोज़ेन, एक प्रमुख लेखक कहते हैं, “एक प्रति इलेक्ट्रॉन साइट भरने के निकट परिवहन में देखे जाने वाले व्यवहार के विपरीत, जो कि बहुत ही विशेषताहीन है, हमारे मापों में यह संकेत दिया गया है कि थर्मोडायनामिक रूप से, इस फिलिंग में सबसे नाटकीय चरण संक्रमण होता है।” इस काम में। “हमें एहसास हुआ कि इस भराव के पास, सामग्री को गर्म करने पर, एक पारंपरिक फ़र्माइ तरल एक विशाल चुंबकीय एन्ट्रॉपी के साथ एक सहसंबंधित धातु में बदल जाता है। यह विशाल एन्ट्रापी (लगभग 1 बोल्ट्ज़मन स्थिरांक प्रति जाली साइट) को केवल तभी समझाया जा सकता है जब प्रत्येक मॉइरे साइट में स्वतंत्रता की डिग्री हो जो पूरी तरह से उतार-चढ़ाव के लिए स्वतंत्र हो। ”

पोमेरानचुक प्रभाव का एक इलेक्ट्रॉनिक एनालॉग

“असामान्य अतिरिक्त एन्ट्रापी ने हमें एक विदेशी प्रभाव की याद दिलाई जो 70 साल पहले हीलियम -3 में खोजा गया था,” वीज़मैन सिद्धांतकार ईरेज़ बर्ग कहते हैं। “अधिकांश सामग्री, जब गर्म होती है, एक ठोस से एक तरल में बदल जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक तरल में हमेशा ठोस की तुलना में अधिक एन्ट्रॉपी होती है, क्योंकि परमाणु ठोस की तुलना में तरल में अधिक अनियमित रूप से चलते हैं। ” हीलियम -3 में, हालांकि, चरण आरेख के एक छोटे हिस्से में, सामग्री पूरी तरह से विपरीत व्यवहार करती है, और उच्च तापमान चरण ठोस होता है। 1950 के दशक में सोवियत सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी इसहाक पोमेरानचुक द्वारा भविष्यवाणी किए गए इस व्यवहार को केवल प्रणाली में एक और “छिपे हुए” स्रोत के अस्तित्व द्वारा समझाया जा सकता है। हीलियम -3 के मामले में, यह एन्ट्रॉपी स्वतंत्र रूप से घूमने वाले परमाणु स्पिन से आती है। “प्रत्येक परमाणु के नाभिक में एक स्पिन होता है (एक ‘तीर’ जो किसी भी दिशा में इंगित कर सकता है),” बर्ग बताते हैं। “पाउली अपवर्जन सिद्धांत के कारण, लिक्विड हीलियम -3 में, वास्तव में आधे स्पिन को इंगित करना चाहिए और आधा को नीचे की ओर इंगित करना चाहिए, ताकि स्पिन स्वतंत्र रूप से नहीं घूम सके। हालांकि, ठोस चरण में, परमाणु स्थानीय होते हैं और कभी एक दूसरे के करीब नहीं आते हैं, इसलिए उनके परमाणु स्पिन स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं। “

“प्रति लीटर साइट के साथ एक इलेक्ट्रॉन के साथ सहसंबद्ध अवस्था में हमने जो विशाल अतिरिक्त एन्ट्रापी देखी है, वह ठोस हीलियम -3 में एन्ट्रॉपी के अनुरूप है, लेकिन परमाणुओं और परमाणु स्पिनों के बजाय, मैजिक एंगल ग्राफी के मामले में हमारे पास इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉनिक स्पिन होते हैं। (या घाटी चुंबकीय क्षण), “वह कहते हैं।

चुंबकीय चरण आरेख

पोमेरानचुक प्रभाव के साथ संबंध स्थापित करने के लिए, टीम ने चरण आरेख का विस्तृत मापन किया। यह प्रणाली में इलेक्ट्रॉनों की “संपीड़ितता” को मापने के द्वारा किया गया था – अर्थात्, किसी दिए गए जाली साइट में अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को निचोड़ना कितना कठिन है (टीम के पिछले काम में मुड़ बिलीर ग्राफीन में इस तरह के माप का प्रदर्शन किया गया था)। इस माप से दो अलग-अलग चरणों का पता चला, जो कि कंप्रैसबिलिटी में तेज गिरावट से अलग हुए: एक कम-एन्ट्रापी, इलेक्ट्रॉनिक तरल-जैसे चरण, और एक उच्च-एंट्रॉपी सॉलिड-फ़ेज़ जैसे मुक्त चुंबकीय क्षण। कम्प्रेसिबिलिटी में गिरावट के बाद, शोधकर्ताओं ने तापमान और चुंबकीय क्षेत्र के एक समारोह के रूप में दो चरणों के बीच की सीमा को मैप किया, यह दर्शाता है कि चरण सीमा पॉमरचुक प्रभाव से अपेक्षित रूप से ठीक व्यवहार करती है।

“यह नया परिणाम जादुई कोण ग्राफीन की हमारी समझ को चुनौती देता है,” बर्ग कहते हैं। “हमने कल्पना की कि इस सामग्री में चरण सरल थे – या तो आचरण या इन्सुलेट करते थे, और उम्मीद करते थे कि इतने कम तापमान पर, सभी इलेक्ट्रॉनिक उतार-चढ़ाव जमे हुए हैं। यह पता नहीं चल पाता है, जैसा कि विशाल चुंबकीय एन्ट्रापी दिखाता है। “

“नए निष्कर्ष दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन प्रणालियों की भौतिकी में ताजा अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं और शायद यह समझाने में भी मदद करते हैं कि इस तरह के उतार-चढ़ाव वाले स्पिन-अप सुपरकंडक्टिविटी को कैसे प्रभावित करते हैं,” वे कहते हैं।

शोधकर्ताओं ने स्वीकार किया कि उन्हें अभी तक नहीं पता है कि जादू कोण ग्राफीन में पोमेरानचुक प्रभाव की व्याख्या कैसे करें। क्या यह हीलियम -3 में ठीक उसी तरह है जैसे ठोस जैसे चरण में इलेक्ट्रॉन एक दूसरे से काफी दूरी पर रहते हैं, जिससे उनके चुंबकीय क्षण पूरी तरह से मुक्त रह सकते हैं? इलानी ने कहा, “हमें यकीन नहीं है,” चरण के बाद से हमारे पास एक ‘थूक व्यक्तित्व’ है – इसके कुछ गुण यात्रा के इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़े हुए हैं, जबकि अन्य केवल इलेक्ट्रॉनों के बारे में सोचकर समझाया जा सकता है क्योंकि एक जाली पर स्थानीयकृत किया जा रहा है। “

संदर्भ: आसफ रोज़ेन, जियोंग मिन पार्क, उरी ज़ोंडिनर, युआन काओ, डैनियल रोडन-लेग्रेन, ताकाशी तनिगुची, केंजी वतनबे, युवल ओरेग, एड्रे स्टर्न, एरेज़ बर्ग, पाब्लो जरिलो-हेरेरो और शाहल इलानी, 7 अप्रैल 2021, प्रकृति
DOI: 10.1038 / s41586-021-03319-3

प्रो। शाहल इलानी के शोध को सगोल वीज़मैन-एमआईटी ब्रिज प्रोग्राम का समर्थन प्राप्त है; वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए आंद्रे डेलोरो पुरस्कार; द रोजा और एमिलियो सेग्रे रिसर्च अवार्ड; और लियोना एम। और हैरी बी। हेम्सले चैरिटेबल ट्रस्ट।

प्रो। इरेज़ बर्ग के शोध को इरविंग और चेरना मॉस्कोविट्ज़ का समर्थन प्राप्त है।

प्रो। युवल ओरेगॉन के शोध को प्रायोगिक भौतिकी की लेडी डेविस प्रोफेसनल चेयर द्वारा समर्थित किया गया है। प्रो ओरेगन नेनोफिसिक्स के लिए मौरिस और गैब्रिएला गोल्डस्लेगर सेंटर के प्रमुख हैं।

प्रो। अदि स्टर्न के अनुसंधान को वेरोनिका ए। रब्बल भौतिकी विवेकाधीन कोष और ज़करमैन एसटीईएम नेतृत्व कार्यक्रम द्वारा समर्थित है।

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