2021年4月8日
加热时，大亚博网站下载多数材料从固体变成液体。一个罕见的反示例是氦3，可以在加热时固化。
魏兹曼科学学院的一组研究人员Shahal Ilani教授与Shahal Ilani教授一起合作，这种违反直觉和异国情调的效果现在可能已经在称为Magic-Angle石墨烯的材料中找到了其电子模拟。亚博老虎机网登录马萨诸塞州理工学院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero教授的小组。
这个结果，今天在自然，这要归功于有史以来对电子熵的首次测量，它们在原子上占有二维材料。“熵描述了材料中的疾病水平，并确定其哪个阶段在不同的温度下是稳定的，”伊拉尼解释。“我们的团队设置了魔术角石墨烯中的电子熵，以解决其一些杰出的奥秘，但发现了另一个惊喜”。
巨型磁熵
熵是一个基本的物理量，不容易掌握或直接测量。在低温下，导电材料中的大部分自由度冻结，并且电子仅有助于熵。在散装材料中，有亚博网站下载大量的电子，因此可以测量其热容量，并从此推断出熵。在原子上薄的二维材料中，由于电子的数量少，这种测量变得极具挑战性。到目前为止，还没有成功地测量此类系统中的熵。
为了测量熵，Weizmann团队使用了独特的扫描显微镜，该显微镜包括位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管。该仪器可以在材料中具有前所未有的灵敏度的电子产生的静电电位在空间上成像。基于麦克斯韦（Maxwell）的关系，该关系连接了材料的不同热力学特性，可以使用这些静电测量值直接探测电子的熵。
“当我们在高磁场上进行测量时，熵看起来是绝对正常的，遵循电子的常规（费米）液体的预期行为，这是电子在低温下存在的最标准状态。但是，令人惊讶的是，在零磁场，电子表现出巨大的熵，其存在非常神秘。”伊拉尼说。当系统中的电子数量约为一个以魔术角石墨烯形成的人工“超级晶格”的每个位置约一个时，就会出现这个巨大的熵。
石墨烯扭曲层中的人工“超级晶格”
石墨烯是一种在六角形晶格中排列的碳原子的一个原子厚的晶体。当两个石墨烯片以一个小而特殊的或“魔术”的未对准角度彼此放置在彼此的顶部时，周期性的moiré图案似乎是材料中电子的人工“超级晶格”。Moiré图案在织物中是一种流行的效果，并且在一个以微小角度覆盖另一个网眼的地方出现。
在魔术角石墨烯中，电子有四种口味：旋转“向上”或“向下”旋转，两个“山谷”。因此，每个Moiré站点最多可容纳四个电子，每个电子都可以持有每种味道之一。
研究人员已经知道，当所有Moiré站点完全完整时（每个站点四个电子）时，该系统是一种简单的绝缘体。然而，在2018年，Jarillo-Herrero教授和同事们惊讶地发现，它可以在其他整数填充物（每个Moiré站点两个或三个电子站点）上进行绝缘，只有形成相关的电子状态，这才能解释。然而，在填充一个电子站点的一个电子站点附近，绝大多数运输测量表明，该系统非常简单，表现为普通金属。这正是Weizmann-MIT团队的熵测量发现最令人惊讶的结果。
“与在填充一个电子站点附近的运输中看到的行为相反，这是毫无特色的，我们的测量表明，在热力学上，最戏剧性的相变发生在这种填充处”这项工作的主要作者Asaf Rozen博士说。“我们意识到，在加热材料后，在填充物附近，一种相当传统的费米液体转变为具有巨大磁熵的相关金属。只有在每个Moiré位点才能解释，这个巨大的熵（大约1 Boltzmann常数）才能解释具有完全自由波动的自由程度”。
Pomeranchuk效果的电子类似物
“这种不寻常的多余熵使我们想起了大约70年前在氦3中发现的异国情调效果”，魏兹曼理论家埃雷斯·伯格（Erez Berg）说。“大多数材料亚博网站下载在加热时会从固体转变为液体。这是因为液体总是比固体更具熵，因为原子在液体中的移动比在固体中更正。”然而，在氦3中，在相图的一小部分中，材料的行为完全相反，较高的温度相为固体。这种行为是由1950年代苏联理论物理学家Isaak Pomeranchuk预测的，只能通过系统中另一种“隐藏”熵来源来解释。在氦3的情况下，此熵来自自由旋转的核自旋。“每个原子的核中都有一个旋转（可以指向任何方向的'箭头'），”解释伯格。“在液体氦3中，由于保利排除原理，恰好一半的旋转必须指向，必须向下指向一半，因此旋转不能自由旋转。但是，在固相中，原子是定位的，永远不会接近彼此，因此他们的核旋转可以自由旋转。”
“我们在与一个电子位点相关状态下观察到的巨大过量熵类似于固体氦3中的熵，但是在魔术角石墨烯的情况下，我们有电子和电子自旋，而不是原子和核自旋（或山谷磁矩）”，他说。
磁相图
为了进一步建立与Pomeranchuk效应的关系，团队对相图进行了详细的测量。这是通过测量系统中电子的“可压缩性”来完成的，即，将其他电子挤入给定的晶格位点是多么困难（在团队以前的工作中，在扭曲的双层石墨烯中证明了这种测量值）。该测量结果表明，可压缩性的急剧下降：低渗透性，电子液体样相和具有游离磁性矩的高渗透性固体相。通过遵循可压缩性的下降，研究人员将两个阶段之间的边界映射为温度和磁场的函数，表明相边界的行为正如Pomerachuk效应所预期的那样。
“这一新结果挑战了我们对魔术角石墨烯的理解，”伯格说。“我们想象，这种材料中的相很简单 - 进行或绝缘，并且期望在如此低的温度下，所有电子波动都被冻结了。事实并非如此，正如巨型磁熵所示的那样”。
“新发现将为强相关电子系统的物理学提供新的见解，甚至可以帮助解释这种波动的旋转如何影响超导性，”他补充说。
研究人员承认，他们尚不知道如何在魔术角石墨烯中解释Pomeranchuk效应。完全像在氦3中一样“我们不确定，”承认伊拉尼，“自从我们观察到的阶段具有'吐痰个性'以来，其某些特性与巡回电子相关，而其他属性只能通过将电子定位在晶格上来解释”。
Shahal Ilani教授的研究得到了Sagol Weizmann-Mit Bridge计划的支持；安德烈·德洛罗（AndréDeloro）科学研究奖；Rosa和Emilio Segre研究奖；以及Leona M.和Harry B. Helmsley慈善信托基金。
Erez Berg教授的研究得到了Irving和Cherna Moskowitz的支持。
尤瓦尔·奥雷格（Yuval Oreg）教授的研究得到了戴维斯夫人教授实验物理学主席的支持。俄勒冈州教授是Maurice和Gabriella Goldschleger纳米物理学中心的负责人。
Ady Stern教授的研究得到了Veronika A. Rabl物理裁量基金和Zuckerman STEM领导力计划的支持。
来源：https://www.weizmann.ac.il/pages/