Et magnetisk twist til grafen

Elektroner i materialer har en egenskab kendt som 'spin, "som er ansvarlig for en række ejendomme, den mest kendte af dem er magnetisme. Permanente magneter, som dem der bruges til køleskabsdøre, har alle spins i deres elektroner justeret i samme retning. Forskere omtaler denne adfærd som ferromagnetisme, og forskningsfeltet for at forsøge at manipulere spin som spintronik.

Nede i kvanteverdenen, spins kan arrangeres på mere eksotiske måder, giver anledning til frustrerede tilstande og sammenfiltrede magneter. Interessant nok, en egenskab, der ligner spin, kendt som "dalen, " optræder i grafenmaterialer. Denne unikke egenskab har givet anledning til feltet for valleytronics, som har til formål at udnytte dalens ejendom til emergent fysik og informationsbehandling, meget ligesom spintronics er afhængig af ren spinfysik.

"Valleytronics ville potentielt tillade kodning af information i kvantedalens frihedsgrad, ligner hvordan elektronik gør det med ladning og spintronik med spindet." Forklarer professor Jose Lado, fra Aaltos afdeling for anvendt fysik, og en af ​​forfatterne til værket. "Hvad mere er, valleytronic-enheder ville tilbyde en dramatisk stigning i behandlingshastighederne sammenlignet med elektronik, og med meget højere stabilitet over for magnetfeltstøj sammenlignet med spintroniske enheder."

Strukturer lavet af roterede, ultratynde materialer giver en rig solid-state platform til at designe nye enheder. I særdeleshed, let snoede grafenlag har for nylig vist sig at have spændende utraditionelle egenskaber, som i sidste ende kan føre til en ny familie af materialer til kvanteteknologier. Disse ukonventionelle tilstande, som allerede er ved at blive udforsket, afhænger af elektrisk ladning eller spin. Det åbne spørgsmål er, om dalen også kan føre til sin egen familie af spændende stater.

Fremstilling af materialer til valleytronics

For dette mål, det viser sig, at konventionelle ferromagneter spiller en afgørende rolle, skubber grafen til dalens fysiks rige. I et nyligt værk, Ph.D. studerende Tobias Wolf, sammen med Profs. Oded Zilberberg og Gianni Blatter ved ETH Zürich, og prof. Jose Lado ved Aalto Universitet, viste en ny retning for korreleret fysik i magnetiske van der Waals-materialer.

Holdet viste, at sammenlægning af to let roterede lag af grafen mellem en ferromagnetisk isolator giver en unik ramme for nye elektroniske tilstande. Kombinationen af ​​ferromagneter, grafen's twist engineering, og relativistiske effekter tvinger "dalen"-egenskaben til at dominere elektronernes adfærd i materialet. I særdeleshed, forskerne viste, hvordan disse daltilstande kan indstilles elektrisk, tilvejebringelse af en materialeplatform, hvor kun daltilstande kan genereres. Bygger på toppen af ​​det nylige gennembrud inden for spintronics og van der Waals materialer, dalfysik i magnetisk snoet van der Waals flerlag åbner døren til den nye verden af ​​korreleret snoet valleytronik.

"At demonstrere disse stater repræsenterer udgangspunktet mod nye eksotiske sammenfiltrede dalstater." sagde professor Lado, "Ultimativt, konstruktion af disse daltilstande kan tillade realisering af kvantesammenfiltrede dalvæsker og fraktionerede kvantedaltilstande. Disse to eksotiske tilstande af stof er endnu ikke fundet i naturen, og ville åbne spændende muligheder for en potentielt ny grafen-baseret platform til topologisk kvanteberegning."

Papiret, "Spontane dalspiraler i magnetisk indkapslet snoet dobbeltlagsgrafen" er offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .