Энтропия в скрученном графене уменьшилась при нагревании

Исследователи свернули графен на «магический угол» и наблюдали появление у него эффекта Померанчука. До сих пор такой эффект был известен только для гелия-3.

Weizmann Institute of Science

Что общего между скрученным графеном и гелием-3? Правильно, аномальная зависимость энтропии от температуры

Энтропия представляет собой меру беспорядка системы. Обычно она напрямую зависит от температуры — обе величины убывают и возрастают согласованно. Таким образом, при плавлении вещество обычно поглощает тепло, а при кристаллизации — выделяет. Но в 1960-х годах физики смогли наблюдать для изотопа гелия-3 обратное явление — при плавлении он выделял тепло, а при превращении в твердое тело поглощал.

Такое необычное явление получило название эффекта Померанчука, и физики нашли ему объяснение. Дело оказалось в том, что при температурах фазовых переходов гелия-3 существенную роль в изменении энтропии материала начинают играть не фононные, а спиновые свойства. Теперь, спустя 70 лет после открытия эффекта Померанчука в гелии-3, ученые обнаружили аналогичные свойства у скрученного графена.

Но чтобы обнаружить это, исследователям пришлось приложить немало усилий, так как измерение энтропии в двумерных материалах намного сложнее, чем в объемных твердых телах и газах. В новой работе авторы использовали сканирующий микроскоп, состоящий из одноэлектронного транзистора на углеродных нанотрубках, расположенного на краю кантилевера сканирующего зонда.

Этот прибор позволил «увидеть» пространственное распределение электростатического потенциала, создаваемого электронами в материале, с высокой чувствительностью. Основываясь на соотношениях Максвелла, которые связывают различные термодинамические свойства материала, ученые смогли рассчитать значение энтропии. По словам ученых, они пока не могут объяснить появление эффекта Померанчука в скрученном графене. Есть гипотезы о том, что аномальное изменение энтропии связано с локализацией электронов в решетке графена или свободными частицами, движущимися в материале.

Статья опубликована в журнале Nature.