Fysikere opdager et nyt kvantetrick til grafen:magnetisme

Nogle gange sker de bedste opdagelser, når forskerne mindst venter det. Mens de forsøgte at replikere et andet holds fund, Stanford-fysikere faldt for nylig over en ny form for magnetisme, forudsagt, men aldrig set før, der genereres, når to bikubeformede gitter af kulstof forsigtigt stables og roteres til en speciel vinkel.

Forfatterne foreslår magnetismen, kaldet orbital ferromagnetisme, kan vise sig nyttig til visse applikationer, såsom kvanteberegning. Gruppen beskriver deres fund i tidsskriftets 25. juli-udgave Videnskab .

"Vi sigtede ikke efter magnetisme. Vi fandt, hvad der kan være den mest spændende ting i min karriere til dato gennem delvist målrettet og delvist utilsigtet udforskning, " sagde studieleder David Goldhaber-Gordon, en professor i fysik ved Stanford's School of Humanities and Sciences. "Vores opdagelse viser, at de mest interessante ting viser sig at være overraskelser nogle gange."

Stanford-forskerne gjorde uforvarende deres opdagelse, mens de forsøgte at reproducere et fund, der sendte chokbølger gennem fysiksamfundet. I begyndelsen af ​​2018 Pablo Jarillo-Herreros gruppe ved MIT meddelte, at de havde lokket en stak af to subtilt fejljusterede plader af kulstofatomer - snoet dobbeltlagsgrafen - for at lede elektricitet uden modstand, en egenskab kendt som superledning.

Opdagelsen var en forbløffende bekræftelse af en næsten årti gammel forudsigelse om, at grafenplader roteret til en meget bestemt vinkel skulle udvise interessante fænomener.

Når de er stablet og snoet, grafen danner et supergitter med en gentagen interferens, eller moiré, mønster. "Det er ligesom når du spiller to musikalske toner, der er lidt forskellige frekvenser, " sagde Goldhaber-Gordon. "Du får et beat mellem de to, der er relateret til forskellen mellem deres frekvenser. Det svarer til, hvad du får, hvis du stabler to gitter oven på hinanden og vrider dem, så de ikke er perfekt justeret."

Fysikere teoretiserede, at det særlige supergitter dannet, når grafen roterede til 1,1 grader, får elektronernes normalt varierede energitilstande i materialet til at kollapse, skabe, hvad de kalder et fladt bånd, hvor hastigheden, hvormed elektroner bevæger sig, falder til næsten nul. Således bremset, enhver elektrons bevægelser bliver meget afhængige af andres bevægelser i dens nærhed. Disse interaktioner ligger i hjertet af mange eksotiske kvantetilstande af stof.

"Jeg troede, at opdagelsen af ​​superledning i dette system var fantastisk. Det var mere end nogen havde ret til at forvente, " sagde Goldhaber-Gordon. "Men jeg følte også, at der var meget mere at udforske og mange flere spørgsmål at besvare, så vi satte os for at prøve at reproducere værket og så se, hvordan vi kunne bygge videre på det."

En række heldige begivenheder

Mens du forsøgte at duplikere MIT-teamets resultater, Goldhaber-Gordon og hans gruppe introducerede to tilsyneladende uvæsentlige ændringer.

Først, mens de indkapsler de honeycomb-formede carbongitter i tynde lag af sekskantet bornitrid, forskerne ved et uheld roterede et af de beskyttende lag til næsten på linje med det snoede dobbeltlagsgrafen.

"Det viser sig, at hvis du næsten justerer bornitrid-gitteret med gitteret af grafen, du ændrer dramatisk de elektriske egenskaber af den snoede dobbeltlagsgrafen, " sagde undersøgelsens co-første forfatter Aaron Sharpe, en kandidatstuderende i Goldhaber-Gordons laboratorium.

For det andet gruppen overskred bevidst rotationsvinklen mellem de to grafenplader. I stedet for 1,1 grader, de sigtede efter 1,17 grader, fordi andre for nylig havde vist, at snoede grafenplader har tendens til at sætte sig i mindre vinkler under fremstillingsprocessen.

"Vi regnede med, at hvis vi sigter efter 1,17 grader, så går det tilbage mod 1,1 grader, og vi vil være glade, " sagde Goldhaber-Gordon. "I stedet, vi fik 1,2 grader."

Et unormalt signal

Konsekvenserne af disse små ændringer blev ikke tydelige, før Stanford-forskerne begyndte at teste egenskaberne af deres snoede grafenprøve. I særdeleshed, de ønskede at studere, hvordan dets magnetiske egenskaber ændrede sig, da dets flade bånd – den samling af tilstande, hvor elektroner langsomt til næsten nul – blev fyldt eller tømt for elektroner.

Mens man pumpede elektroner ind i en prøve, der var blevet afkølet tæt på det absolutte nul, Sharpe registrerede en stor elektrisk spænding vinkelret på strømmen, da det flade bånd var tre fjerdedele fuldt. Kendt som en Hall-spænding, en sådan spænding vises typisk kun i nærværelse af et eksternt magnetfelt - men i dette tilfælde, spændingen vedblev, selv efter at det eksterne magnetfelt var blevet slukket.

Denne unormale Hall-effekt kunne kun forklares, hvis grafenprøven genererede sit eget indre magnetfelt. Desuden, dette magnetiske felt kunne ikke være resultatet af at justere elektronernes spin-tilstand op eller ned, som det typisk er tilfældet for magnetiske materialer, men må i stedet være opstået fra deres koordinerede kredsløbsbevægelser.

"Så vidt vi ved, dette er det første kendte eksempel på orbital ferromagnetisme i et materiale, " sagde Goldhaber-Gordon. "Hvis magnetismen skyldtes spinpolarisering, du ville ikke forvente at se en Hall-effekt. Vi ser ikke kun en Hall-effekt, men en kæmpe Hall-effekt."

Styrke i svaghed

Forskerne vurderer, at magnetfeltet nær overfladen af ​​deres snoede grafenprøve er omkring en million gange svagere end det for en konventionel køleskabsmagnet, men denne svaghed kan være en styrke i visse scenarier, såsom at bygge hukommelse til kvantecomputere.

"Vores magnetiske dobbeltlagsgrafen kan tændes med meget lav effekt og kan læses elektronisk meget nemt, " sagde Goldhaber-Gordon. "Det faktum, at der ikke er et stort magnetfelt, der strækker sig udad fra materialet, betyder, at du kan pakke magnetiske bits meget tæt sammen uden at bekymre dig om interferens."

Goldhaber-Gordons laboratorium er endnu ikke færdig med at udforske snoet dobbeltlagsgrafen. Gruppen planlægger at lave flere prøver ved hjælp af nyligt forbedrede fremstillingsteknikker for yderligere at undersøge orbitalmagnetismen.