Stabling og vridning af grafen låser op for en sjælden form for magnetisme

Siden opdagelsen af ​​grafen for mere end 15 år siden, forskere har været i et globalt kapløb om at låse op for dets unikke egenskaber. Ikke alene er grafen - en et-atom-tyk plade af kulstof arrangeret i et sekskantet gitter - den stærkeste, det tyndeste materiale, mennesket kender, det er også en fremragende leder af varme og elektricitet.

Nu, et team af forskere ved Columbia University og University of Washington har opdaget, at en række eksotiske elektroniske tilstande, inklusive en sjælden form for magnetisme, kan opstå i en trelags grafenstruktur.

Resultaterne fremgår af en artikel offentliggjort 12. oktober i Naturfysik .

Værket var inspireret af nyere undersøgelser af snoede monolag eller snoede dobbeltlag af grafen, bestående af enten to eller fire samlede ark. Disse materialer viste sig at være vært for en række usædvanlige elektroniske tilstande drevet af stærke interaktioner mellem elektroner.

"Vi spekulerede på, hvad der ville ske, hvis vi kombinerede grafen monolag og dobbeltlag i et snoet tre-lag system, " sagde Cory Dean, en professor i fysik ved Columbia University og en af ​​papirets seniorforfattere. "Vi fandt ud af, at variation af antallet af grafenlag giver disse kompositmaterialer nogle spændende nye egenskaber, som ikke var set før."

Ud over dekan, Adjunkt Matthew Yankowitz og professor Xiaodong Xu, både i afdelingerne for fysik og materialevidenskab og teknik ved University of Washington, er seniorforfattere på værket. Columbia kandidatstuderende Shaowen Chen, og University of Washington kandidatstuderende Minhao He er avisens co-lead forfattere.

For at udføre deres eksperiment, forskerne stablede et enkeltlagsark af grafen på et dobbeltlagsark og snoede dem omkring 1 grad. Ved temperaturer et par grader over det absolutte nulpunkt, holdet observerede en række isolerende tilstande - som ikke leder elektricitet - drevet af stærke interaktioner mellem elektroner. De fandt også ud af, at disse tilstande kunne kontrolleres ved at anvende et elektrisk felt på tværs af grafenpladerne.

"Vi lærte, at retningen af ​​et anvendt elektrisk felt betyder meget, sagde Yankowitz, som også er tidligere postdoc i dekangruppen.

Da forskerne pegede det elektriske felt mod det monolags grafenark, systemet lignede snoet dobbeltlagsgrafen. Men da de vendte retningen af ​​det elektriske felt og pegede det mod tolags grafenarket, den efterlignede snoet dobbelt-dobbelt-grafen - firelagsstrukturen.

Holdet opdagede også nye magnetiske tilstande i systemet. I modsætning til konventionelle magneter, som er drevet af en kvantemekanisk egenskab af elektroner kaldet "spin, "en kollektiv hvirvlende bevægelse af elektronerne i holdets trelagsstruktur ligger til grund for magnetismen, de observerede.

Denne form for magnetisme blev for nylig opdaget af andre forskere i forskellige strukturer af grafen, der hviler på krystaller af bornitrid. Holdet har nu demonstreret, at det også kan observeres i et enklere system konstrueret udelukkende med grafen.

"Rent kulstof er ikke magnetisk, " sagde Yankowitz. "Bemærkelsesværdigt, vi kan konstruere denne egenskab ved at arrangere vores tre grafenark i de helt rigtige snoningsvinkler."

Ud over magnetismen, undersøgelsen afslørede tegn på topologi i strukturen. Beslægtet med at binde forskellige typer knob i et reb, materialets topologiske egenskaber kan føre til nye former for informationslagring, som "kan være en platform for kvanteberegning eller nye typer energieffektive datalagringsapplikationer, " sagde Xu.

For nu, de arbejder på eksperimenter for yderligere at forstå de grundlæggende egenskaber ved de nye tilstande, de opdagede i denne platform. "Dette er virkelig kun begyndelsen, " sagde Yankowitz.