Významné výsledky slovenských fyzikov o štruktúre grafénu pri nízkej teplote zverejnil v apríli vedecký časopis Physical Review B. Spoluautorom článku je aj Juraj Hašík, absolvent teoretickej fyziky na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky UK (FMFI UK).
Objav grafénu, najtenšej možnej vrstvy uhlíka, ktorej hrúbka je práve jeden atóm, určil v poslednom desaťročí nový smer výskumu dvojrozmerných materiálov. Vďaka svojim zaujímavým elektronickým a iným vlastnostiam sa grafén a ďalšie podobné jednovrstvové materiály, ako sú disulfid molybdénu či fosforén, považujú za perspektívne materiály pre široké spektrum rôznych aplikácií, napríklad elektroniku, senzory, displeje či uskladnenie energie. Významné výsledky pri skúmaní grafénu publikovali vo vedeckom časopise Physical Review B Juraj Hašík a Roman Martoňák z FMFI UK a taliansky fyzik Erio Tosatti z Medzinárodnej školy pre pokročilé štúdiá v Terste. Vydavateľ tento článok označil ako jeden z tipov, tzv. Editors’ suggestion.
Kvantové zvlnenie
Tepelný pohyb atómov pri ľubovoľnej teplote je príčinou, že dvojrozmerná membrána grafénu nie je rovná, ale zvlnená, a to tým väčšmi, čím vyššia je teplota. Grafén preto nikdy nie je úplne plochý, bez vĺn. Čo sa však stane pri veľmi nízkej teplote, keď tepelný pohyb takmer zanikne? Už približne sto rokov vedci vedia, že svet atómov sa neriadi klasickou fyzikou. V mikrosvete platí kvantová mechanika a tá hovorí, že atómom nemožno zobrať tzv. 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. Mgr. Juraj Hašík vo svojej diplomovej práci z roku 2015 pod vedením profesora R. Martoňáka skúmal, ako tieto kvantové vlny v graféne vznikajú a či je možné ich merať. Pre grafén implementoval, naprogramoval a otestoval kvantovú metódu Monte Carlo, ktorá je založená na tzv. dráhových integráloch. Vo svojom výskume pokračoval aj počas doktorandského štúdia na Medzinárodnej škole pre pokročilé štúdiá v Terste, kde spolupracoval s profesorom Eriom Tosattim.
Numerická simulácia na superpočítači
Pomocou rozsiahlych numerických simulácií, ktoré prebiehali na superpočítači Aurel vo výpočtovom stredisku SAV, J. Hašík skúmal vzorku grafénu zhruba štvorcového tvaru s veľkosťou strany približne 11 nm. Podarilo sa ju ochladiť na teplotu 0,6 K (-272,6 °C), teda približne o rád nižšie, než sa podarilo dosiahnuť v podobných simuláciách v iných prácach uvádzaných v literatúre. Pri tejto teplote sa už vzorka správa 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 dva stupne. To je prekvapujúco veľká hodnota a predstavuje spektakulárny prejav kvantových nulových kmitov v makroskopickom objekte, priblížil význam výsledkov profesor R. Martoňák. Túto hodnotu je možné experimentálne zmerať napríklad pomocou difrakcie elektrónov, pričom fyzici predpokladajú, že takýto experiment sa podarí v dohľadnom čase realizovať. Grafén tak ponúka vedcom jedinečný náhľad do mikrosveta, v ktorom môžu vidieť a oddeliť od seba tepelný pohyb a kvantové nulové kmity atómov uhlíka.
R, ilustrácie Juraj Hašík
Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
