Twee teams van onderzoekers hebben onafhankelijk van elkaar ontdekt dat er een bepaald type grafeensysteem bestaat waarbij elektronen bevriezen als de temperatuur stijgt. Het eerste elftal, met leden uit Israël, de VS en Japan, ontdekte dat het plaatsen van de ene laag grafeen op de andere en het draaien van de laag er bovenop resulteerde in een grafeentoestand waarin de elektronen zouden bevriezen als de temperatuur steeg. En in een poging om uit te leggen wat ze zagen, ze ontdekten dat de entropie van de bijna-isolerende fase ongeveer de helft was van wat zou worden verwacht van vrije-elektronenspins. Het tweede elftal, met leden uit de VS, Japan en Israël, vonden hetzelfde grafeensysteem en in hun onderzoek om hun waarnemingen te begrijpen, ze merkten op dat er een groot magnetisch moment ontstond in de isolator. Beide teams hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Biao Lian van Princeton University heeft een artikel in News and Views gepubliceerd waarin het werk van beide teams in hetzelfde tijdschriftnummer wordt geschetst.

Naarmate de temperatuur rond de meeste stoffen stijgt, de deeltjes waaruit ze zijn gemaakt, zijn opgewonden. Dit resulteert in het smelten van vaste stoffen in vloeistoffen en vloeistoffen die in een gas veranderen. Dit wordt verklaard door de thermodynamica:hogere temperaturen leiden tot meer entropie, dat is een beschrijving van wanorde. In deze nieuwe poging beide teams vonden een uitzondering op deze regel:een grafeensysteem waarin elektronen bevriezen als de temperatuur stijgt.

Het grafeensysteem was heel eenvoudig. Beide teams legden eenvoudig het ene vel grafeen op het andere en draaiden het bovenste vel vervolgens heel licht. Maar het moest worden verdraaid in wat ze omschrijven als de "magische hoek, " beschrijft een draaiing van slechts 1 graad. Het moirépatroon dat daaruit voortvloeide, leidde tot een lagere snelheid van de elektronen in het systeem, wat weer tot meer weerstand leidde, waardoor het systeem bijna een isolator wordt.

Beide teams hebben deze waarnemingen vervolgens nader onderzocht. Ze deden dit allebei door de entropie van het getwiste rooster te meten en ontdekten dat de entropie van de fase bij hoge temperatuur groter was dan voor de fase bij lage temperatuur. En ze ontdekten allebei dat de elektronen in de gedraaide laag zowel spin als een lage vrijheidsgraad hadden, die, zij merkten op, kan worden omschreven als een isospin. En ze suggereerden allebei dat naarmate de temperatuur in het systeem steeg, het kwam dichter bij het worden van een ferromagneet. Naast hun bevindingen met betrekking tot de entropie van de bijna-isolerende fase, het eerste team merkte ook een plotselinge hoge piek in de samendrukbaarheid van elektronen op. En het tweede team ontdekte ook dat minder elektronen energieniveaus konden innemen op hetzelfde moment dat een magnetisch veld op het systeem werd toegepast.

© 2021 Science X Network