Lendületesek: Nemes-Incze Péter

A szilárdtest-fizikában alapvető fontosságú az elektronok viselkedésének vizsgálata a kristályos anyagokban, mivel az elektronok mintában való terjedése határozza meg az anyag számos tulajdonságát, mint az elektromos vezetőképességet és az optikai jellemzőket, például azt, hogy az anyag átlátszó-e, vagy sem.

Nemes-Incze Péter

A kvantummechanika korai időszakában nagy szerencséjük volt a fizikusoknak, hogy az anyag bizonyos tulajdonságait egyetlen elektron (vagyis egy nem kölcsönható elektronrendszer) vizsgálatával is meg lehet érteni – ezen alapulnak a szilárdtest-fizika alapvető felismerései. Csakhogy sok más jelenség megértéséhez már az elektronok összességét (tehát a kölcsönható elektronrendszereket) együttesen kell vizsgálni, ami sokkal nehezebb feladat.

Az egyszerűbb modell igénye

„A szilárdtest-fizika legfontosabb és legérdekesebb aktuális kérdései a kölcsönható elektronrendszerekkel kapcsolatosak.

Idetartozik például a magas hőmérsékletű szupravezetés, amelynek során az elektronok mintha kezet fognának egymással, és együtt haladnának tovább, de nem értjük, hogy ez pontosan hogyan történik

– mondja Nemes-Incze Péter. – A fizikában mindig is nagyon fontosak voltak a minél egyszerűbb modellek. A kölcsönható elektronrendszerek jelenségei azonban általában viszonylag bonyolult anyagokban jelennek meg. Szükség van tehát egy egyszerűbb modellre, amelyben tanulmányozhatók e mechanizmusok. Ilyen modell lehet a romboéderes grafit.”

A romboéderes grafit az elemi szén egyik módosulata. Tehát kizárólag szénatomok építik fel, viszont a kristályszerkezete eltér a szokványos, hexagonális grafit szerkezetétől. Benne ugyanis a hatszögletes struktúrájú atomi rétegek (grafén) eltolva helyezkednek el egymáson. A romboéderes grafit ritkább, mint a hexagonális módosulat, így a múltban sokkal kevésbé vizsgálták, ugyanakkor számos nagyon érdekes fizikai jelenség merül fel az esetében. Például az elektronjai erősen kölcsönható jelenségeket mutatnak.

Egyszerű, ezért nagyszerű

„A romboéderes grafitban az a nagyszerű, hogy nagyon egyszerű a kristályrácsa, és ezért a vizsgálatával sok szilárdtest-fizikai problémára választ kaphatunk – mondta a a kutatócsoport-vezető, akinek ez már a második nyertes Lendület-pályázata. – Míg korábban (a grafén felfedezése idején) az volt a szenzáció, hogy minél vékonyabb, egy atomréteg vastagságú szénrácsot állítottak elő, addig mostanában már arra törekszünk, hogy e rácsokat egymásra rétegezve, esetleg elcsavarva, meghatározott szerkezetű kristályokat építsünk fel.”

A romboéderes grafit egyik különlegessége, hogy minél több grafénrétegből áll, annál erősebbek az elektronok közötti kölcsönhatások. A hexagonális grafit egymás alatti szénrétegei egy fél hatszöggel el vannak csúsztatva egymáshoz képest, az egyik réteget A-nak, a következőt B-nek szokás nevezni. A hexagonális szerkezetben a B után megint egy A helyzetű lemez következik, tehát minden második réteg kerül pontosan egymás fölötti pozícióba. Vagyis az egymást követő rétegek ABABABAB struktúrájúak. A romboéderes szerkezetben a grafénrétegek három különböző pozícióban helyezkedhetnek el (A, B és C), és a kristályrács felépítése ABCABCABC szerkezetű. Ugyanakkor lehetnek eltérések is ettől a szerkezetben, amelyek véletlenül jönnek létre, de szándékosan is előidézhetők, ettől pedig megváltozik az anyag fizikai szerkezete. A Lendület-csoport az elkövetkező években ilyen atomi változtatásokkal fogja „hangolni” a kölcsönható elektronrendszerek romboéderes grafitban tapasztalható viselkedését, és tanulmányozza majd a létrejövő állapotait.

Nemes-Incze Péternek előző Lendület-pályázatában és kutatócsoportjával sikerült elérnie, hogy a grafén előállítására használt klasszikus celluxos módszer módosításával a romboéderes grafit aránya a természetben általános 1 százalékról 50 százalék körülire növekedjen. Emellett kidolgoztak egy módszert, amelynek segítségével – az anyagot lézerrel megvilágítva – egyszerűen megállapíthatóvá vált, hogy a romboéderes grafit milyen arányban tartalmaz tökéletes ABCABC típusú szerkezeteket.

A kutatócsoport volt az első a világon, amely atomi léptékben mérte meg a vastag (10+ grafénréteg) romboéderes grafitmintákban az elektronok közötti erős kölcsönhatások által okozott elektronszerkezeti változásokat.

Ezzel megmutatták, hogy ez a kristály valóban kiváló modellként szolgálhat a kölcsönható elektronrendszerek vizsgálatához.

A cél a felületi állapot megváltoztatása

„Ebben a pályázatban az a fő célunk, hogy a romboéderes grafit felületi állapotát különféle eljárásokkal megváltoztassuk, vagyis hangoljuk – mondja Nemes-Incze Péter. – Megváltoztatjuk például a kölcsönható elektronok mennyiségét, és így vizsgáljuk a mintát pásztázó alagútmikroszkóppal. Ahogy egyre több elektron kerül a rendszerbe, úgy lesznek közöttük egyre erősebb a kölcsönhatás.”

Az egyik tervezett kísérletben újabb grafénréteget helyeznek majd a romboéderes grafit felületére, előre meghatározott szögben elcsavarva. Ekkor Moiré-effektus jöhet létre, amely a régi tévéadásokból lehet ismert, amikor a stúdióvendég (a szerkesztők kérésére fittyet hányva) halszálkás öltönyben jelent meg a kamerák előtt. Ha a zakó mintájának periodicitása közel azonos volt a kamera pixelméretével, akkor hullámszerű mintázat jelent meg a képen. Ezt a hatást a szénkristályoknál a közel azonos rácsállandójú kristályok egymásra helyezésével lehet elérni. Ha a grafénrétegek közti szöget változtatják, hangolni is lehet az effektus tulajdonságait.

„Ezekben a mintákban tipikusan olyan effektusok bukkannak elő, amelyeket elméleti modellekkel nagyon nehéz előre jelezni. A pontos vizsgálatuk érdekében tehát kísérleteket kell végezni, és a kísérlet eredményeit kell elemezni – fogalmaz a fizikus. – A fizika törvényeit ismerve viszont olyan körülményeket tudunk teremteni a kísérletben, amelyek valószínűvé teszik, hogy valami izgalmasat fogunk látni. Sok esetben hatalmas meglepetésekkel szembesülünk. Ez teszi hallatlanul izgalmassá e kutatást.”