Magnetische verrassing onthuld in ‘magische hoek’ grafeen

Wanneer twee vellen grafeen-koolstofnanodeeltjes onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar worden gestapeld, ontstaat er een behoorlijk coole fysica. Wanneer bijvoorbeeld het zogenaamde “magische hoekgrafeen” wordt afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, wordt het plotseling een supergeleider, wat betekent dat het elektriciteit zonder weerstand geleidt.

Nu heeft een onderzoeksteam van Brown University een verrassend nieuw fenomeen ontdekt dat kan ontstaan ​​in grafeen met een magische hoek. In een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap, toonde het team aan dat door het induceren van een fenomeen dat bekend staat als spin-baan koppeling, magische hoek grafeen wordt een krachtige ferromagneet.

“Magnetisme en supergeleiding bevinden zich meestal aan tegenovergestelde uiteinden van het spectrum in de fysica van de gecondenseerde materie, en het is zeldzaam dat ze in hetzelfde materiële platform voorkomen”, zegt Jia Li, universitair hoofddocent natuurkunde bij Brown en senior auteur van het artikel. “We hebben echter aangetoond dat we magnetisme kunnen creëren in een systeem dat oorspronkelijk supergeleiding herbergt. Dit geeft ons een nieuwe manier om de interactie tussen supergeleiding en magnetisme te bestuderen, en biedt opwindende nieuwe mogelijkheden voor kwantumwetenschappelijk onderzoek.”

Magische hoekgrafeen heeft de afgelopen jaren nogal wat opschudding veroorzaakt in de natuurkunde. Grafeen is een tweedimensionaal materiaal gemaakt van koolstof atomen Gerangschikt in een honingraatpatroon. Losse vellen grafeen zijn op zichzelf al interessant – ze tonen de opmerkelijke sterkte en zeer efficiënte elektrische geleidbaarheid van het materiaal. Maar het wordt nog spannender als grafeenvellen worden gestapeld. Elektronen beginnen niet alleen te interageren met andere elektronen in de grafeenplaat, maar ook met die in de aangrenzende plaat. Het veranderen van de hoek van de platen ten opzichte van elkaar verandert die interacties, wat aanleiding geeft tot interessante kwantumfenomenen zoals supergeleiding.

Dit nieuwe onderzoek voegt een nieuwe rimpel – spin-baankoppeling – toe aan dit toch al interessante systeem. Spin-baankoppeling is een toestand van elektronengedrag in bepaalde materialen waarin elk elektron – zijn kleine magnetische moment dat naar boven of naar beneden wijst – gerelateerd is aan zijn baan rond de atoomkern.

“We weten dat spin-spinkoppeling aanleiding geeft tot een breed scala aan interessante kwantumfenomenen, maar het is meestal niet aanwezig in grafeen met een magische hoek”, zegt Jiang Xiazi Lin, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown en hoofdauteur van het onderzoek. “We wilden een spin-orbit-koppeling introduceren en dan kijken welk effect dat heeft op het systeem.”

Om dit te doen, bonden Lee en zijn team grafeen met een magische hoek aan een blok wolfraamdiselenide, een materiaal met een sterke spin-baankoppeling. Nauwkeurige stapeluitlijning leidt tot spin-baankoppeling in grafeen. Van daaruit controleerde het team het systeem met externe elektrische stromen en magnetische velden.

Experimenten hebben aangetoond dat een elektrische stroom die in één richting door een materiaal vloeit in aanwezigheid van een extern magnetisch veld een spanning produceert in de richting loodrecht op de stroom. Deze spanning, bekend als het Hall-effect, is een veelbetekenend signaal van een intrinsiek magnetisch veld in het materiaal.

Tot verbazing van het onderzoeksteam toonden ze aan dat de magnetische toestand kan worden gecontroleerd met behulp van een extern magnetisch veld, dat zich in het vlak van grafeen of buiten het vlak bevindt. Dit in tegenstelling tot ferromagnetische materialen zonder spin-baankoppeling, waar intrinsiek magnetisme alleen kan worden gecontroleerd als het externe magnetische veld is uitgelijnd langs de magnetisatierichting.

Yahui Chang, een theoretisch fysicus van de Harvard University die met het team van Brown werkte om de fysica te begrijpen die verband houdt met het waargenomen magnetisme.

“Het unieke effect van spin-orbit-koppeling geeft wetenschappers een nieuw experimenteel handvat om de inspanning om het gedrag van grafeen met magische hoek te begrijpen”, zegt Erin Morissette, een afgestudeerde student aan de Brown University die een deel van het experimentele werk heeft uitgevoerd. “De resultaten bieden ook potentieel voor nieuwe hardwaretoepassingen.”

Een van de mogelijke toepassingen bevindt zich in het geheugen van de computer. Het team ontdekte dat de magnetische eigenschappen van de magische hoek grafeen Ze kunnen worden bestuurd door zowel externe magnetische velden als elektrische velden. Dit zou dit 2D-systeem een ​​ideale kandidaat maken voor een magnetisch geheugenapparaat met flexibele lees-/schrijfmogelijkheden.

De onderzoekers zeggen dat er nog een andere potentiële toepassing is in quantum computing. Een interface tussen een ferromagneet en een supergeleider is voorgesteld als een potentiële bouwsteen voor kwantumcomputers. Het probleem is echter dat een dergelijke interface moeilijk tot stand te brengen is omdat magneten over het algemeen de supergeleiding vernietigen. Maar een stof die in staat is tot beide ferromagnetisme En supergeleiding zou een manier kunnen zijn om die interface te creëren.

“We werken aan het gebruik van de atomaire interface om stabiliteit te bereiken supergeleiding Lee zei: “En tegelijkertijd ferromagnetisme. Het naast elkaar bestaan ​​van deze twee verschijnselen is zeldzaam in de natuurkunde, en het zal zeker voor meer opwinding zorgen.”