Журнал «Вокруг Света» №12 за 2010 год

Физики изучали графен более полувека, но... лишь теоретически. Дело в том, что на практике выделить графеновый лист ни у кого не получалось. Более того, Лев Ландау в свое время доказал, что это и невозможно сделать. Даже если получить каким-то способом свободный одноатомный лист графена, он не останется плоским, как лист бумаги, а сразу потеряет устойчивость и скомкается или свернется в нанотрубку. Ведь у одноатомного слоя нет никакого сопротивления изгибу, и, соприкоснувшись между собой, участки графенового листа немедленно «склеиваются» теми самыми межмолекулярными силами, которые скрепляют листы в графите.

Неудивительно, что физики скептически относились к попыткам получить графен. Но такие попытки время от времени все же предпринимались — уж очень интересные свойства предсказывали для графена теоретики. Прежде всего надо отметить, что в любом кристалле электрон ведет себя не совсем так, как в свободном состоянии, например, когда его разгоняют на ускорителе. Электроны взаимодействуют с атомами и друг с другом, и у них появляется определенная способность «чувствовать» весь кристалл целиком. Обычно это все же не очень сильно сказывается на их поведении, но вот в графене с электронами происходят настоящие чудеса. Как показали Гейм и Новоселов в своей статье 2005 года, электроны в графене в некоторых отношениях ведут себя так, словно у них вовсе нет массы. Это делает их похожими на безмассовые фотоны и позволяет использовать графен как лабораторию по исследованию релятивистских эффектов в квантовой механике. Причем роль скорости света тут играет скорость Ферми (скорость, соответствующая уровню Ферми, то есть максимальной энергии электрона в твердом теле при температуре абсолютного нуля), которая примерно в 300 раз меньше скорости света. А если еще учесть, что в природе не существует безмассовых заряженных частиц, то электроны в графене представляют собой совершенно уникальную физическую систему.

Многие особенности графена с трудом поддаются популярному описанию — для них просто еще не придумано достаточно удачных аналогий. Например, в квантовой физике известен так называемый парадокс Клейна. Он состоит в том, что релятивистской, то есть движущейся с околосветовой скоростью, частице легче «пронизать» высокий потенциальный барьер (превышающей две ее массы покоя), чем низкий. Как юркая мышь скорее проскользнет между ногами слона, чем между лапами кошки. Но электроны обладают нулевой эффективной массой и в результате оказываются способны уверенно туннелировать через любые потенциальные барьеры, поскольку даже самая маленькая кошка для них бесконечно велика. Это обеспечивает очень высокую подвижность электронов в графене. Даже появление препятствий в виде нарушений кристаллической структуры, примесей или контакта графенового листа с опорой не мешают движению вдоль него электронов.  

Андрей Гейм

1958 — Родился в Сочи в семье инженеров. Школу окончил с золотой медалью. 1976 — Поступил в МФТИ, который окончил с отличием. С 1982-го работал в Институте физики твердого тела в Черноголовке. Кандидатскую диссертацию защитил в 1987-м. В начале 1990-х семья Гейм переехала в Германию (отец ученого — этнический немец). С 2001-го работает в Манчестерском университете, возглавляет отдел физики конденсированного состояния.

Консантин Новоселов

1974 — Родился в Нижнем Тагиле в семье инженера и преподавательницы английского языка. Он самый молодой из всех ныне живущих нобелевских лауреатов. 1997 — С отличием окончил МФТИ. Работал в черноголовском Институте проблем технологии микроэлектроники. Защитил кандидатскую диссертацию. 1999 — Начал работать под руководством Гейма в голландском Неймегене. 2001 — Переехал в Манчестер. 2004 — Защитил докторскую диссертацию. Фото: AP/FOTOLINK (x2)

От игнобеля до нобеля