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 $R_{\rm cr}$=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 $sp^2$-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.