Tepelné vlny grafénu sú dobre rozpoznateľné pri izbovej teplote, no ich kvantové náprotivky potrebujú pri nízkych teplotách realistický kvantitatívny opis. Grafén predstavuje najtenšiu možnú vrstvu uhlíka, ktorej hrúbka je práve jeden atóm. Najjednoduchšie sa zobrazuje ako drôtené pletivo uhlíkových atómov usporiadaných do pravidelných šesťuholníkov. Tento fascinujúci systém je v poslednom desaťročí predmetom značného záujmu teoretických i experimentálnych fyzikov aj materiálových vedcov.
Svoj podiel na jeho výskume aktuálne priniesli slovenskí vedci. Mgr. Juraj Hašík, absolvent teoretickej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky Univerzitzy Komenského v Bratislave (FMFI UK) vo svojej diplomovej práci z roku 2015 pod vedením prof. Romana Martoňáka skúmal, ako v graféne vznikajú kvantové vlny a či je možné ich merať. Pre grafén implementoval, naprogramoval a otestoval kvantovú Monte Carlo metódu, ktorá je založená na tzv. dráhových integráloch. Vo svojom výskume ďalej pokračoval aj počas doktorandského štúdia na Medzinárodnej škole pre pokročilé štúdiá v Terste (SISSA), kde spolupracoval s prof. Eriom Tosattim.
Všetci traja sú autormi odborného textu o štruktúre kvantového grafénu, ktorý začiatkom apríla zverejnil vedecký časopis Physical Review B v sekcii Rapid Communications. Publikujú tu vysoko originálne výsledky v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Článok bol tiež vybraný ako jeden z tipov vydavateľov (Editors’ Suggestion).
Objav grafénu priniesol v poslednom období novú paradigmu dvojrozmerných materiálov a bol v roku 2010 ocenený Nobelovou cenou za fyziku. Vďaka svojim zaujímavým elektronickým a iným vlastnostiam sú grafén a ďalšie podobné jednovrstvové materiály, ako napr. disulfid molybdénu či fosforén, považované za perspektívne materiály pre široké spektrum rôznych aplikácií, napr. elektroniku, senzory, displeje, uskladnenie energie, atď.
„2D materiály sú veľmi odlišné od bežných 3D kryštálov, pretože nevypĺňajú priestor, ale predstavujú veľmi tenkú membránu. Tepelný pohyb atómov pri ľubovoľnej teplote spôsobí, že membrána nie je rovná, ale zvlnená, a to tým viac, čím vyššia je teplota. Grafén preto nikdy nie je úplne plochý, bez vĺn, pretože na to, aby sme sa zbavili tepelného pohybu, museli by sme ho ochladiť na absolútnu nulovú teplotu a to, ako vieme, sa nedá,“ vysvetľuje prof. Ing. Roman Martoňák, DrSc., z Katedry experimentálnej fyziky FMFI UK.
Aj keby bolo možné tepelný pohyb eliminovať, atómy by sa ani pri nulovej teplote úplne nezastavili. Už približne sto rokov je totiž vedeckej komunite známe, že svet atómov sa neriadi klasickou fyzikou. „V mikrosvete platí kvantová mechanika a tá hovorí, že atómom nemožno zobrať takzvané nulové kmity. V klasickom svete by atóm zbavený tepelného pohybu ostal stáť na presne definovanom mieste a atómy v graféne by tvorili presné pravidelné šesťuholníky. V kvantovom svete sa však atómy ‚trasú‘ a nútia grafén, aby sa zvlnil, a to aj bez akéhokoľvek tepelného pohybu,“ ozrejmil fyzik z UK.
Odborníci pomocou rozsiahlych numerických simulácií, ktoré boli vykonané na superpočítači Aurel vo výpočtovom stredisku SAV, skúmali vzorku grafénu zhruba štvorcového tvaru s veľkosťou približne 11 nm. Podarilo sa ju ochladiť na teplotu 0,6 K (-272,6 °C), teda približne o rád nižšie, než dosiahli v podobných simuláciách v iných prácach v literatúre. Pri tejto teplote sa už daná vzorka správa úplne podľa kvantových zákonov.
Výpočty ukázali, že kvantové vlny sú úplne iné ako tie klasické. „Na dlhých vzdialenostiach sú slabšie, a preto membránu ‚nepokrčia‘. Na krátkych vzdialenostiach sú však silnejšie, a preto membránu lokálne ‚zdrsnia‘. Jednoducho povedané, kvantový grafén je pri veľmi nízkej teplote plochejší, ale zároveň drsnejší než ten klasický. Zaujímavým výsledkom je zistenie, že pri nízkych teplotách pod 50 K (-223,2 °C) majú odchýlky od strednej roviny membrány v dôsledku kvantového zvlnenia veľkosť asi 2 stupne. To je prekvapujúco veľká hodnota a predstavuje spektakulárny prejav kvantových nulových kmitov v makroskopickom objekte,“ priblížil význam výsledkov prof. Martoňák.
Túto hodnotu je možné experimentálne zmerať napríklad pomocou difrakcie elektrónov, pričom fyzici predpokladajú, že takýto experiment bude v dohľadnom čase realizovaný. Grafén tak ponúka vedcom jedinečný náhľad do mikrosveta, v ktorom môžu vidieť a oddeliť od seba tepelný pohyb a kvantové nulové kmity atómov uhlíka.
„O originalite výsledkov týkajúcich sa štruktúry kvantového grafénu svedčí aj ich publikovanie v prestížnom vedeckom časopise. Som presvedčený o potrebe spájania sa popredných vedeckých inštitúcií a špičkových vedcov i tímov na spoločných výskumných projektoch doma aj vo svete. Teší ma preto aj spolupráca našich vedcov s ich talianskym kolegom,“ zdôraznil prof. RNDr. Karol Mičieta, PhD., rektor Univerzity Komenského v Bratislave.
Informácie a fotografie poskytla: Mgr. Lenka Miller, poverená vedením Oddelenia vzťahov s verejnosťou Univerzity Komenského v Bratislave
Zdroj: https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.140301
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ