Есть такой интересный класс веществ – дираковские материалы, названные в честь Поля Дирака. Графен относится именно к ним. Их отличительная особенность в том, что электрические заряды в них ведут себя как релятивистские частицы с нулевой эффективной массой. Такие частицы описываются уравнением Дирака и называются безмассовыми фермионами Дирака.
Проще всего понять, чем такие вещества отличаются от привычных, если описывать их свойства в терминах зонной теории, теории движения электронов в твёрдом теле. Квантовая механика утверждает, что свободные электроны могут иметь любую энергию, а значит, их энергетический спектр непрерывен. В изолированных атомах ситуация обратная – принадлежащие им электроны могут иметь только определённые дискретные значения энергии. А в твёрдом теле энергетический спектр электронов состоит из отдельных разрешённых энергетических зон, разделённых зонами запрещённых энергий. Для нас сейчас интерес представляют «валентная зона» – диапазон возможных энергий электронов в атомах, и «зона проводимости» – диапазон проводимости.
Если между валентной зоной и зоной проводимости есть разрыв, то электроны не дают вклада в электропроводность, а материал – изолятор. Если валентная зона и зона проводимости перекрываются, то это проводник, материал, где электроны могут перемещаться под действием электрического поля.
В дираковском материале запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости имеет нулевую ширину. Если представить энергию электронов и их положение в виде графика, то получится похожая на песочные часы фигура их двух конусов, соединенных вершинами, «конусов Дирака». Благодаря этому электроны в таком материале ведут себя очень странно. Все они движутся с одной и той же скоростью, сопоставимой со скоростью света, причем так, как если бы не обладали массой. Для примера, в графене скорость электронов составляет около 10 тысяч километров в секунду, что очень много по сравнению с обычным проводником, где скорость электронов укладывается в диапазон от сантиметров до сотен метров в секунду.
Из-за таких необычных свойств дираковские материалы сейчас активно изучаются. Но до последнего времени исследование их магнитных свойств было крайне затруднено. Дело в том, что под рукой у физиков было очень немного веществ, у которых можно было впрямую наблюдать связь между необычной структурой энергетических зон и магнитными свойствами. И никак не удавалось разобраться в механизме этой связи.
Большой шаг в понимании такого механизма удалось сделать команде из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, которая изучила свойства CaMnBi2. Это вещество интересно тем, что демонстрирует как квантовый магнетизм, когда ионы марганца антиферромагнитно упорядочены при температурах около комнатной и ниже, так и дираковское поведение электронов. Ученые предполагали, что между этими двумя свойствами существует взаимосвязь, так как при температуре около 50 К в этом материале появляется неожиданный «скачок» проводимости, который до сего дня не имел объяснения.
Ученым удалось выяснить, что в момент появления «скачка» у материала проявляются и ферромагнитные свойства, которые можно объяснить колебанием магнитных моментов атомов. Когда исследователи учли такие колебания при расчетах, то оказалось, что изменение магнитных свойств привело и к изменению структуры электронных зон, что и приводит к «скачку» проводимости.
Теперь ученые с интересом посматривают на другие дираковские материалы) И возможно они откроют еще один метод исследования свойств таких материалов.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.