Постоянная тонкой структуры (графен) (Hkvmkxuugx mkutkw vmjrtmrjd (ijgsyu))

Перейти к навигации Перейти к поиску
Графен
См. также: Портал:Физика

Постоянная тонкой структуры (графен) — новое квантово-механическое явление в графене, заключающееся в том, что оптическая прозрачность одноатомного 2М-слоя графена зависит только от безразмерных величин: постоянной тонкой структуры и числа «пи».

В конце 2007 года группа экспериментаторов во главе с Кузьменко [1] определила, что универсальная динамическая проводимость графена в определённом оптическом диапазоне имеет постоянное значение, которое зависит только от фундаментальных постоянных. Зная про эти результаты еще до публикации материалов, ученик Гэйма Нэйр [2] осуществил экспериментальную проверку прозрачности графена в оптическом диапазоне, которая оказалась зависящей только от фундаментальных постоянных. В случае одинарного слоя графена, ослабление луча составляло около 2,3 %, то есть в точности совпало с предсказанием теории. Таким образом, впервые человек смог непосредственно, если не пощупать, то хотя бы увидеть практически невооруженным взглядом постоянную тонкой структуры, которая имеет огромное значение в квантовой электродинамике и теории элементарных частиц.

Физическая сущность явления

[править | править код]

Универсальная динамическая проводимость графена

[править | править код]

В общем случае действительная часть динамической проводимости в графене определяется следующим образом:

где — скорость матричных элементов между начальной энергией фотона и конечной , — плотность состояний в графене, — статистическое распределение Ферми — Дирака, — энергия, — температура и — частота падающих фотонов.

Безусловно, это достаточно сложное выражение, которое плохо поддаётся теоретическому расчету в общем случае. Но для графена можно сделать следующие упрощения:

где — энергия перескоков (около 3 эВ) и межатомное расстояние (около 1,42 ангстрем).

где скорость Ферми в графене.

Для произведения «прыжкового импульса» на межатомное расстояние можно взять оценку из соотношения неопределённостей:

Таким образом, предельное масштабное значение для универсальной динамической проводимости будет определяться только через фундаментальные постоянные:

Данное значение и было подтверждено в опытах Кузьменко[1] в диапазоне энергий падающих фотонов от 0,1 до 0,2 эВ.

Оптическая проницаемость графена

[править | править код]

Ещё в работе Кузьменко отмечалось, что коэффициент пропускания оптического излучения одноатомным слоем графена может быть представлен в виде:

где скорость света. Таким образом, коэффициент пропускания полностью определяется безразмерными фундаментальными величинами.

В общем случае наличия нескольких слоёв графена (бинарный и выше), мы будем иметь коэффициент поглощения:

где  — число одноатомных слоёв графена в образце. Для наглядности Нэйр[2] использовал в своих образцах плавный переход от одноатомного к бинарному слоям графена и с точностью до нескольких процентов подтвердил указанную теорию.

Заключение

[править | править код]

В ближайшее время вряд ли удастся существенно повысить точность измерений прозрачности графена, также как и «кванта проводимости» и «скорости Ферми». Поэтому добиться такой точности измерения постоянной тонкой структуры, как в квантовом эффекте Холла на кремнии и арсениде галлия, скорее всего, не удастся никогда. Но здесь важно другое: с помощью графена уже сегодня можно изучать фундаментальную природу элементарных частиц и т. п. без использования дорогостоящего оборудования, типичного для физики элементарных частиц,

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 A. B. Kuzmenko, E. van Heumen, F. Carbone, and D. van der Marel. Universal dynamical conductance in graphite, Phys. Rev. Lett. 100, 117401 (2008). arXiv:0712.0835v1 Архивная копия от 8 сентября 2016 на Wayback Machine.
  2. 1 2 R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres, A. K. Geim. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science 320, 1308 (2008) doi:10.1126/science.1156965

Популярные источники

[править | править код]