Een grafeensysteem dat elektronen bevriest naarmate de temperatuur stijgt

Twee teams van onderzoekers hebben onafhankelijk van elkaar ontdekt dat er een bepaald type grafeensysteem bestaat waarbij elektronen bevriezen als de temperatuur stijgt. Het eerste team, met leden uit Israël, de VS en Japan, ontdekte dat het plaatsen van een laag grafeen bovenop een ander en vervolgens het verdraaien van de laag er bovenop resulteerde in een grafeentoestand waarin de elektronen zouden bevriezen als de temperatuur stijgt. En in een poging uit te leggen wat ze observeerden, ontdekten ze dat de entropie van de bijna-isolerende fase ongeveer de helft was van wat zou worden verwacht van vrije elektron-spins. Het tweede team, met leden uit de VS, Japan en Israël, vond hetzelfde grafeensysteem en bij hun onderzoek om hun waarnemingen te begrijpen, merkten ze op dat er een groot magnetisch moment ontstond in de isolator. Beide teams hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Natuur​ Biao Lian van Princeton University heeft een News and Views-stuk gepubliceerd waarin het werk van beide teams in hetzelfde tijdschriftnummer wordt beschreven.

Naarmate de temperatuur rond de meeste stoffen stijgt, worden de deeltjes waaruit ze zijn gemaakt, opgewonden. Dit resulteert in het smelten van vaste stoffen tot vloeistoffen en tot het veranderen van vloeistoffen in een gas. Dit wordt verklaard door thermodynamica – hogere temperaturen leiden tot meer entropie, wat een beschrijving is van wanorde. Bij deze nieuwe poging vonden beide teams een uitzondering op deze regel: een grafeensysteem waarin elektronen bevriezen als de temperatuur stijgt.

Het grafeensysteem was heel eenvoudig. Beide teams legden simpelweg een vel grafeen op een ander en verdraaiden het bovenste vel vervolgens heel lichtjes. Maar het moest worden verdraaid in wat zij omschrijven als de ‘magische hoek’, waarmee een draaiing van slechts 1 graad wordt beschreven. Het moiré-patroon dat ontstond, leidde tot een lagere snelheid van de elektronen in het systeem, wat op zijn beurt leidde tot meer weerstand, waardoor het systeem bijna een isolator was.

Beide teams hebben deze waarnemingen vervolgens nader onderzocht. Ze deden dit allebei door de entropie van het gedraaide rooster te meten en ontdekten dat de entropie van de hoge temperatuurfase groter was dan die van de lage temperatuurfase. En ze ontdekten allebei dat de elektronen in de gedraaide laag zowel spin als een lage vrijheidsgraad hadden, die, zo merkten ze op, beschreven zou kunnen worden als een isospin. En ze suggereerden allebei dat naarmate de temperatuur in het systeem steeg, het dichter bij een ferromagneet kwam. Naast hun bevindingen met betrekking tot de entropie van de bijna-isolerende fase, merkte het eerste team ook een plotselinge hoge piek in elektronencompressibiliteit op. En het tweede team ontdekte ook dat minder elektronen energieniveaus konden bezetten op hetzelfde moment dat er een magnetisch veld op het systeem werd aangelegd.