魏茨曼科学研究所 幻角石墨烯中的波美拉查克效应，揭示了两相之间的奇异转变:一种是(费米)液相，电子的空间位置是无序的，但它们的磁矩(箭头)是完全对齐的；另一种是类固态相，电子在空间中是有序的，但它们的磁矩是自由波动的
与直觉相反，加热时液相转变为类固相
信用:魏茨曼科学研究所 大多数材料受热时会从固体变成液体
一个罕见的反例是氦-3，它可以在加热时凝固
魏茨曼科学研究所的一组研究人员说，这种反直觉的奇异效应被称为波美拉查克效应，现在可能在一种被称为魔角石墨烯的材料中发现了它的电子类似物，该研究小组由教授领导
Shahal Ilani，与教授合作
麻省理工学院的巴勃罗·贾里洛-赫雷罗小组
这一结果发表在今天的《自然》杂志上，这要归功于对原子般薄的二维材料中电子熵的首次测量
“熵描述了一种物质的无序程度，并决定了在不同的温度下哪个相是稳定的，”伊拉尼解释道
“我们的团队建立了测量魔角石墨烯中的电子熵来解决它的一些突出的谜团，但发现了另一个惊喜
" 巨磁熵 熵是一个不容易掌握或直接测量的基本物理量
在低温下，导电材料的大部分自由度都冻结了，只有电子对熵有贡献
在散装材料中，有大量的电子，因此可以测量它们的热容量，并由此推导出熵
在原子般薄的二维材料中，由于电子数量少，这样的测量变得极具挑战性
到目前为止，还没有实验成功地测量了这种系统的熵
为了测量熵，魏茨曼团队使用了一种独特的扫描显微镜，它由位于扫描探针悬臂边缘的碳纳米管单电子晶体管组成
这种仪器能够以前所未有的灵敏度对材料中电子产生的静电势进行空间成像
基于连接材料不同热力学性质的麦克斯韦关系，人们可以使用这些静电测量直接探测电子的熵
“当我们在高磁场下进行测量时，熵看起来绝对正常，符合传统(费米)电子液体的预期行为，这是低温下电子存在的最标准状态
然而，令人惊讶的是，在零磁场下，电子表现出巨大的超额熵，其存在非常神秘
”伊拉尼说
这个巨大的熵是在系统中的电子数量大约是在魔角石墨烯中形成的人工“超晶格”的每个位置一个的时候出现的
石墨烯扭曲层中的人工“超晶格” 石墨烯是一种一个原子厚的碳原子晶体，排列成六边形晶格
当两个石墨烯片以一个小的、特殊的或“神奇的”错位角叠放在一起时，就会出现一个周期性的云纹图案，作为材料中电子的人工“超晶格”
云纹图案在织物中很受欢迎，只要一个网格以微小的角度覆盖另一个网格，就会出现云纹图案
在魔角石墨烯中，电子有四种形式:向上旋转或向下旋转，以及两个谷
“因此，每个莫尔条纹最多可以容纳四个电子，每种味道一个
研究人员已经知道，当所有的莫尔条纹完全填满时(每个位置四个电子)，这个系统就像一个简单的绝缘体
然而，在2018年，教授
贾里洛-赫雷罗和他的同事惊奇地发现，它可以在其他整数填充物上绝缘(每个莫尔点两到三个电子)，这只有在形成电子的关联态时才能解释
然而，在每个莫尔点填充一个电子的附近，绝大多数传输测量表明该系统相当简单，表现为普通金属
这正是魏茨曼-麻省理工学院团队的熵测量发现最令人惊讶的结果的地方
“与在每个莫尔点一个电子的填充附近的输运中所看到的行为相反，这种行为是相当没有特征的，我们的测量表明，从热力学上来说，最剧烈的相变发生在这个填充处，”Dr
这项工作的主要作者阿萨夫·罗赞
“我们意识到，在这种填充物附近，当加热材料时，一种相当传统的费米液体转变成具有巨大磁熵的相关金属
这个巨大的熵(每个晶格位置大约有1个玻尔兹曼常数)只有在每个莫尔位置都有完全自由波动的自由度时才能解释
" 波美拉尼克效应的电子模拟 “这种不寻常的超额熵让我们想起了大约70年前在氦-3中发现的一种奇异效应，”魏茨曼理论学家教授说
埃雷兹·伯格
大多数材料加热后，会从固体变成液体
这是因为液体总是比固体有更多的熵，因为原子在液体中的运动比在固体中更不稳定
然而，在氦-3中，在相图的一小部分，物质的行为完全相反，温度较高的相是固体
苏联理论物理学家伊萨克·波美拉查克(Isaak Pomeranchuk)在20世纪50年代预测的这种行为只能用系统中另一个“隐藏的”熵源的存在来解释
在氦-3的情况下，这个熵来自自由旋转的核自旋
“每个原子在其原子核中都有一个自旋(一个可以指向任何方向的‘箭头’”，伯格解释道
“在液氦-3中，由于泡利排斥原理，恰好一半的自旋必须指向上，一半必须指向下，所以自旋不能自由旋转
然而，在固相中，原子是局部化的，永远不会彼此靠近，所以它们的核自旋可以自由旋转
" “我们在关联状态下观察到的每个莫尔点有一个电子的巨大超额熵类似于固体氦-3中的熵，但是在魔角石墨烯的情况下，我们有电子和电子自旋(或谷磁矩)，而不是原子和核自旋，”他说
磁性相图 为了进一步建立与波美拉尼克效应的关系，研究小组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”来实现的——也就是说，将额外的电子挤压到给定的晶格位置有多难(这种测量在团队先前的工作中在扭曲的双层石墨烯中得到证明)
这一测量揭示了由可压缩性急剧下降分开的两个不同的相:一个低熵的电子液体状相，和一个高熵的具有自由磁矩的固体状相
随着可压缩性的下降，研究人员将两相之间的边界绘制成温度和磁场的函数，证明了相边界的行为与波美拉查克效应的预期完全一致
伯格说:“这个新结果挑战了我们对魔角石墨烯的理解。”
“我们设想这种材料的相是简单的——导电或绝缘，并期望在如此低的温度下，所有的电子波动都被冻结
正如巨磁熵所显示的，事实证明并非如此
" “新的发现将为强关联电子系统的物理学提供新的见解，甚至可能有助于解释这种波动的自旋如何影响超导性，”他补充道
研究人员承认，他们还不知道如何解释幻角石墨烯中的波美拉查克效应
这和氦-3中的情况完全一样吗？在氦-3中，固态电子相互之间保持很大的距离，使得它们的磁矩保持完全自由。“我们不确定，”伊拉尼承认，“因为我们观察到的相位有一种‘唾液人格’——它的一些性质与流动的电子有关，而其他的只能通过认为电子位于晶格上来解释。”
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