Magnetické překvapení odhalené v „magickém úhlu“ grafenu

Když jsou dva listy grafenových uhlíkových nanočástic naskládány dohromady pod určitým úhlem vůči sobě, vzniká docela skvělá fyzika. Když se například takzvaný „magic angle graphene“ ochladí téměř na absolutní nulu, stane se náhle supravodičem, což znamená, že vede elektřinu bez odporu.

Nyní výzkumný tým z Brown University objevil překvapivý nový fenomén, který může vzniknout v grafenu s magickým úhlem. Ve výzkumu zveřejněném v časopise Věda, tým ukázal, že vyvoláním jevu známého jako spin-orbitová vazba, magický úhel grafenu se stává silným feromagnetem.

„Magnetismus a supravodivost jsou obvykle na opačných koncích spektra ve fyzice kondenzovaných látek a je vzácné, že se objevují na stejné materiálové platformě,“ řekl Jia Li, docent fyziky na Brownu a hlavní autor článku. „Ukázali jsme však, že můžeme vytvořit magnetismus v systému, který původně hostí supravodivost. To nám dává nový způsob, jak studovat interakci mezi supravodivostí a magnetismem, a poskytuje vzrušující nové možnosti pro kvantový vědecký výzkum.“

Magický úhel grafenu způsobil v posledních letech ve fyzice značný rozruch. Grafen je dvourozměrný materiál vyrobený z atomy uhlíku Uspořádáno do voštinového vzoru. Jednotlivé listy grafenu jsou zajímavé samy o sobě – zobrazují pozoruhodnou sílu materiálu a velmi účinnou elektrickou vodivost. Ale věci jsou ještě vzrušující, když jsou grafenové listy naskládány na sebe. Elektrony začnou interagovat nejen s jinými elektrony v grafenové fólii, ale také s elektrony na sousedním listu. Změna úhlu desek vůči sobě navzájem mění tyto interakce, což vede ke vzniku zajímavých kvantových jevů, jako je supravodivost.

Tento nový výzkum přidává do tohoto již tak zajímavého systému novou vrásku – spin-orbit coupling. Spin-orbit coupling je stav chování elektronů v určitých materiálech, ve kterém každý elektron – jeho malý magnetický moment směřující buď nahoru nebo dolů – souvisí s jeho oběžnou dráhou kolem atomového jádra.

„Víme, že spin-spinová vazba dává vzniknout široké škále zajímavých kvantových jevů, ale v grafenu magického úhlu se to obvykle nevyskytuje,“ řekl Jiang Xiazi Lin, postdoktorandský výzkumník společnosti Brown a hlavní autor studie. „Chtěli jsme zavést spin-orbitální spojení a pak zjistit, jaký vliv to má na systém.“

Za tímto účelem Lee a jeho tým připojili grafen magického úhlu k bloku diselenidu wolframu, materiálu, který má silnou vazbu na spin-orbitu. Přesné vyrovnání stohu vede ke spojení spin-orbit v grafenu. Odtud tým kontroloval systém vnějšími elektrickými proudy a magnetickými poli.

Experimenty ukázaly, že elektrický proud protékající materiálem v jednom směru za přítomnosti vnějšího magnetického pole vytváří napětí ve směru kolmém k proudu. Toto napětí, známé jako Hallův jev, je signálem vnitřního magnetického pole v materiálu.

K překvapení výzkumného týmu ukázali, že magnetický stav lze ovládat pomocí vnějšího magnetického pole, které je orientováno buď v rovině grafenu, nebo mimo rovinu. To je v kontrastu s feromagnetickými materiály bez spin-orbitální vazby, kde lze vlastní magnetismus ovládat pouze tehdy, když je vnější magnetické pole vyrovnáno podél směru magnetizace.

Yahui Chang, teoretický fyzik z Harvardské univerzity, který spolupracoval s Brownovým týmem na pochopení fyziky spojené s pozorovaným magnetismem.

„Jedinečný efekt spojení spin-orbita dává vědcům novou experimentální rukojeť, která posílí úsilí porozumět chování grafenu magického úhlu,“ řekla Erin Morissette, postgraduální studentka na Brown University, která provedla některé experimentální práce. „Výsledky mají také potenciál pro nové hardwarové aplikace.“

Jedna z možných aplikací je v paměti počítače. Tým zjistil, že magnetické vlastnosti magického úhlu grafen Mohou být ovládány jak vnějšími magnetickými poli, tak elektrickými poli. To by z tohoto 2D systému učinilo ideálního kandidáta na magnetické paměťové zařízení s flexibilními možnostmi čtení/zápisu.

Vědci tvrdí, že existuje další potenciální aplikace v kvantových počítačích. Jako potenciální stavební blok pro kvantové počítače bylo navrženo rozhraní mezi feromagnetem a supravodičem. Problém je však v tom, že takové rozhraní je obtížné vytvořit, protože magnety obecně ničí supravodivost. Ale látka schopná obojího feromagnetismus A supravodivost by mohla poskytnout způsob, jak toto rozhraní vytvořit.

„Pracujeme na využití atomového rozhraní k dosažení stability supravodivost Lee řekl: „A zároveň feromagnetismus. Koexistence těchto dvou jevů je ve fyzice vzácná a určitě vyvolá další vzrušení.“