Физика и химия графена. Эмерджентность, магнетизм, механофизика и механохимия

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 p_z-электронов. Корреляция зависит от расстояния между этими электронами и становится заметной, когда кратчайшее расстояние между ними, определяемое длиной C=C-связи, превышает критическое значение R_cr=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.

Physics and chemistry of graphene. Emergentness, magnetism, mechanophysics and mechanochemistry

Graphene is considered as a specific object whose electronic structural features are presented in the light of the general concept of emergent phenomena that arise as a result of a quantum phase transition caused by the breaking of a continuous symmetry. This review starts by examining the spin symmetry breaking of the graphene electronic system caused by the correlation of its odd p_z electrons that depends on the distance between these electrons and becomes noticeable when the shortest distance, determined by the C=C bond length, exceeds the critical value R_cr=1,395 Å. The symmetry breaking is reliably predicted by universal Hartree—Fock (UHF) formalism that provides a sufficient level of quantitative self-consistent description for the problem. Empirical support has been given to and reliable certification obtained for UHF emergents such as (i) open-shell electron spin-orbitals; (ii) splitting and/or spin polarization of electron spectra; (iii) spin-mixed ground state and, as a consequence, violation of the exact spin multiplicity of electronic states; (iv) existence of local spins at zero total spin density. Using this approach greatly expands our understanding of the ground state of graphene and other sp² nanocarbons and not only gives a clear insight into the spin features of graphene chemistry, accentuating its emergent character, but also expectedly predicts the occurrence of new graphene physics related emergents. In the latter case, symmetry breaking is relevant not only for spin systems but also for time reversal and imposes to graphene special physical properties such as ferromagnetism, superconductivity and topological nontriviality. This review shows, for the first time, that not only the ferromagnetism but also the mechanical properties of graphene are essentially emergent, extending this feature to the entire physics of graphene.