Физика и химия графена. Эмерджентность, магнетизм, механофизика и механохимия
Е.Ф. Шека,
Н.А. Попова,
В.А. Попова Российский университет дружбы народов, ул. Миклухо-Маклая 6, Москва, 117198, Российская Федерация
Графен рассматривается как специфический объект, особенности электронной структуры которого представлены в свете общей концепции эмерджентных явлений, возникающих в результате квантового фазового перехода, вызванного нарушением непрерывной симметрии. Первым рассмотрено нарушение спиновой симметрии электронной системы графена, обусловленное корреляцией его лишних pz-электронов. Корреляция зависит от расстояния между этими электронами и становится заметной, когда кратчайшее расстояние между ними, определяемое длиной C=C-связи, превышает критическое значение Rcr=1,395 Å. Неограниченный метод Хартри—Фока (UHF-формализм) надёжно свидетельствует о факте нарушения симметрии и обеспечивает достаточно высокий уровень количественного самосогласованного описания проблемы. Эмпирически подтверждены и убедительно сертифицированы такие UHF-эмердженты, как: 1) открыто-оболочечный характер электронных спин-орбиталей; 2) расщепление и/или спиновая поляризация электронного спектра; 3) спин-смешанный характер основного состояния и, как следствие, нарушение точной спиновой мультиплетности электронных состояний; 4) наличие локальных спинов при нулевой полной спиновой плотности. Такой подход значительно расширяет представление об основном состоянии графена и других sp2-наноуглеродов и даёт не только чёткое видение спиновых особенностей химии графена, придавая ей эмерджентный характер, но и предсказуемо указывает на появление новых эмерджентов, имеющих отношение к физике графена. В последнем случае нарушение симметрии касается не только спиновой системы, но и обращения времени и вызывает к жизни такие особенные физические свойства графена, как ферромагнетизм, сверхпроводимость и топологическая нетривиальность. В обзоре впервые показано, что не только ферромагнетизм графена, но и его механические свойства являются, по существу, эмерджентными; эта отличительная особенность распространяется на всю физику графена.
Ключевые слова: графен, графан, молекулы с открытыми оболочками, эмерджентные явления, нарушение спиновой симметрии, квантово-химическое приближение UHF, квазирелятивистское приближение Дирака, гексагональная сотовая структура, фермионы Дирака, спин-орбитальное взаимодействие, локальные спины, нарушение симметрии обращения времени, топологическая нетривиальность, высокотемпературный ферромагнетизм, интерфейсная сверхпроводимость, механические свойства, статическая деформация, динамическая деформация, ковалентные связи PACS:62.25.−g, 68.65.Pq, 73.22.Pr (все) DOI:10.3367/UFNr.2017.11.038233 URL: https://ufn.ru/ru/articles/2018/7/b/ 000446676600002 2-s2.0-85054790212 2018PhyU...61..645S Цитата: Шека Е Ф, Попова Н А, Попова В А "Физика и химия графена. Эмерджентность, магнетизм, механофизика и механохимия" УФН188 720–772 (2018)
Pavarini E, Koch E, Schollwöck U (Eds) Emergent Phenomena in Correlated Matter, Autumn School, Jülich, 23-27 September 2013 Vol. 3 (Jülich: Forschungszentrum Jülich and the German Research School for Simulation Sciences, 2013)
Putz M V et al. Distance, Symmetry, and Topology in Carbon Nanomaterials Carbon Materials(Carbon Materials: Chemistry and Physics) Vol. 9 (Eds A R Ashrafi, M V Diudea) (New York: Springer, 2016) p. 345
Hempel C, Oppenheim P Emergence: Contemporary Readings in Philosophy and Science (Eds M A Bedau, P Humphreys) (Cambridge, Mass.: MIT Press, 2008) p. 61; originally published in, Hempel C Aspects of Scientific Explanation, and Other Essays in the Philosophy of Science (New York: Free Press, 1965) p. 61
Earman J Symmetries in Physics: Philosophical Reflections (Eds K Brading, E Castellani) (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2003) p. 335
Sheka E F Topological Modelling of Nanostructures and Extended Systems(Carbon Materials: Chemistry and Physics) Vol. 7 (Eds A R Ashrafi et al.) (Berlin: Springer, 2013) p. 137
Попова Н А "Гидрирование и деформация графена в приближении молекулярной теории" Дисс. ... канд. физ.-мат. наук (М.: РУДН, 2011)
Sheka E F, Popova V A, Popova N A Advances in Quantum Methods and Applications in Chemistry, Physics, and Biology(Progress in Theoretical Chemistry and Physics) Vol. 27 (Eds-in-Chief J Maruani, S Wilson) (Berlin: Springer, 2013) p. 285