Et talentfuldt 2-D-materiale får en ny koncert

Lige siden grafenens opdagelse i 2004, videnskabsmænd har ledt efter måder at sætte denne talentfulde, atomisk tyndt 2-D-materiale til at fungere. Tyndere end en enkelt DNA-streng og alligevel 200 gange stærkere end stål, grafen er en fremragende leder af elektricitet og varme, og den kan tilpasse sig et vilkårligt antal former, fra et ultratyndt 2-D ark, til et elektronisk kredsløb.

Sidste år, et team af forskere ledet af Feng Wang, en fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en professor i fysik ved UC Berkeley, udviklet en multitasking grafenenhed, der skifter fra en superleder, der effektivt leder elektricitet, til en isolator, der modstår strømmen af ​​elektrisk strøm, og tilbage igen til en superleder.

Nu, som rapporteret i dag i dagbladet Natur , forskerne har udnyttet deres grafensystems talent for at jonglere med ikke kun to egenskaber, men tre:superledende, isolerende, og en type magnetisme kaldet ferromagnetisme. Multitasking-enheden kunne muliggøre nye fysikeksperimenter, såsom forskning i jagten på et elektrisk kredsløb for hurtigere, næste generations elektronik såsom kvantecomputerteknologier.

"Indtil nu, materialer, der samtidigt viser superledende, isolerende, og magnetiske egenskaber har været meget sjældne. Og de fleste troede, at det ville være svært at fremkalde magnetisme i grafen, fordi det typisk ikke er magnetisk. Vores grafensystem er det første til at kombinere alle tre egenskaber i en enkelt prøve, " sagde Guorui Chen, en postdoktor i Wangs Ultrafast Nano-Optics Group ved UC Berkeley, og undersøgelsens hovedforfatter.

Brug af elektricitet til at tænde for grafens skjulte potentiale

Grafen har et stort potentiale i elektronikkens verden. Dens atomare tynde struktur, kombineret med dens robuste elektroniske og termiske ledningsevne, "kan tilbyde en unik fordel i udviklingen af ​​næste generations elektronik og hukommelseslagringsenheder, " sagde Chen, som også arbejdede som postdoktor i Berkeley Labs Materials Sciences Division på tidspunktet for undersøgelsen.

Problemet er, at de magnetiske materialer, der bruges i elektronik i dag, er lavet af ferromagnetiske metaller, såsom jern eller koboltlegeringer. Ferromagnetiske materialer, som den almindelige stangmagnet, har en nord- og en sydpol. Når ferromagnetiske materialer bruges til at lagre data på en computers harddisk, disse pæle peger enten op eller ned, repræsenterer nuller og ettaller - kaldet bits.

grafen, imidlertid, er ikke lavet af et magnetisk metal - det er lavet af kulstof.

Så forskerne kom med en kreativ løsning.

De konstruerede en ultratynd enhed, kun 1 nanometer i tykkelse, med tre lag atomisk tynd grafen. Når det er klemt mellem 2-D-lag af bornitrid, grafenlagene – beskrevet som trelagsgrafen i undersøgelsen – danner et gentaget mønster kaldet et moiré-supergitter.

Ved at påføre elektriske spændinger gennem grafenenhedens porte, kraften fra elektriciteten drev elektronerne i enheden til at cirkle i samme retning, som små biler, der kører rundt på en bane. Dette genererede et kraftigt momentum, der forvandlede grafenenheden til et ferromagnetisk system.

Flere målinger afslørede et forbløffende nyt sæt egenskaber:Grafensystemets indre var ikke kun blevet magnetisk, men også isolerende; og på trods af magnetismen, dens ydre kanter omdannes til kanaler af elektronisk strøm, der bevæger sig uden modstand. Sådanne egenskaber karakteriserer en sjælden klasse af isolatorer kendt som Chern-isolatorer, sagde forskerne.

Endnu mere overraskende, beregninger af medforfatter Ya-Hui Zhang fra Massachusetts Institute of Technology afslørede, at grafenenheden ikke kun har en, men to ledende kanter, hvilket gør det til den første observerede "Chern-isolator af høj orden, "en konsekvens af de stærke elektron-elektron-interaktioner i trelagsgrafen.

Forskere har været på jagt efter Chern-isolatorer inden for et forskningsfelt kendt som topologi, som undersøger eksotiske tilstande af stof. Chern isolatorer tilbyder potentielle nye måder at manipulere information i en kvantecomputer, hvor data lagres i kvantebit, eller qubits. En qubit kan repræsentere en en, et nul, eller en tilstand, hvor det er både et et og et nul på samme tid.

"Vores opdagelse viser, at grafen er en ideel platform til at studere forskellige fysik, lige fra enkeltpartikelfysik, til superledning, og nu topologisk fysik til at studere kvantefaser af stof i 2-D materialer, " sagde Chen. "Det er spændende, at vi nu kan udforske ny fysik i en lille enhed, der kun er 1 milliontedel af en millimeter tyk."

Forskerne håber at udføre flere eksperimenter med deres grafenenhed for at få en bedre forståelse af, hvordan Chern-isolatoren/magneten opstod, og mekanikken bag dens usædvanlige egenskaber.