Magnetisk overraskelse afsløret i magisk vinkelgrafen

Når to ark af kulstofnanomaterialet grafen stables sammen i en bestemt vinkel i forhold til hinanden, giver det anledning til noget fascinerende fysik. For eksempel, når denne såkaldte "magic-angle graphene" afkøles til næsten det absolutte nulpunkt, bliver den pludselig en superleder, hvilket betyder, at den leder elektricitet med nul modstand.

Nu har et forskerhold fra Brown University fundet et overraskende nyt fænomen, der kan opstå i magisk vinkelgrafen. I forskning offentliggjort i tidsskriftet Science , viste holdet, at ved at inducere et fænomen kendt som spin-orbit-kobling, bliver magisk vinkelgrafen en kraftig ferromagnet.

"Magnetisme og superledning er normalt i modsatte ender af spektret i fysik af kondenseret stof, og det er sjældent, at de optræder i den samme materialeplatform," siger Jia Li, assisterende professor i fysik ved Brown og seniorforfatter af forskningen. "Alligevel har vi vist, at vi kan skabe magnetisme i et system, der oprindeligt er vært for superledning. Dette giver os en ny måde at studere samspillet mellem superledning og magnetisme på og giver spændende nye muligheder for kvantevidenskabelig forskning."

Magisk-vinkelgrafen har vakt en del opsigt i fysikken i de seneste år. Grafen er et todimensionelt materiale lavet af kulstofatomer arrangeret i et honeycomb-lignende mønster. Enkelte ark grafen er interessante i sig selv - viser bemærkelsesværdig materialestyrke og ekstremt effektiv elektrisk ledningsevne. Men tingene bliver endnu mere interessante, når grafenplader stables. Elektroner begynder at interagere ikke kun med andre elektroner i et grafenark, men også med dem i det tilstødende ark. Ændring af vinklen på arkene i forhold til hinanden ændrer disse interaktioner, hvilket giver anledning til interessante kvantefænomener som superledning.

Denne nye forskning tilføjer en ny rynke - spin-orbit kobling - til dette allerede interessante system. Spin-kredsløbskobling er en tilstand af elektronadfærd i visse materialer, hvor hver elektrons spin - dens lille magnetiske moment, der peger enten op eller ned - bliver forbundet med dens kredsløb omkring atomkernen.

"Vi ved, at spin-orbit-kobling giver anledning til en lang række interessante kvantefænomener, men det er normalt ikke til stede i magisk vinkelgrafen," siger Jiang-Xiazi Lin, en postdoc-forsker ved Brown og studiets hovedforfatter. "Vi ønskede at introducere spin-orbit-kobling og derefter se, hvilken effekt det havde på systemet."

For at gøre det kombinerede Li og hans team magisk vinkelgrafen med en blok af wolframdiselenid, et materiale, der har en stærk spin-kredsløbskobling. At justere stakken præcist inducerer spin-orbit-kobling i grafenen. Derfra undersøgte holdet systemet med eksterne elektriske strømme og magnetiske felter.

Forsøgene viste, at en elektrisk strøm, der flyder i én retning hen over materialet i nærvær af et eksternt magnetfelt, frembringer en spænding i retningen vinkelret på strømmen. Den spænding, kendt som Hall-effekten, er den afslørende signatur af et iboende magnetfelt i materialet.

Til forskerholdets store overraskelse viste de, at den magnetiske tilstand kunne styres ved hjælp af et eksternt magnetfelt, som enten er orienteret i grafenens plan eller ud af planet. Dette er i modsætning til magnetiske materialer uden spin-kredsløbskobling, hvor den iboende magnetisme kun kan kontrolleres, når det eksterne magnetfelt er justeret langs magnetismens retning.

"Denne observation er en indikation af, at spin-orbit-kobling faktisk er til stede og gav ledetråden til at bygge en teoretisk model for at forstå indflydelsen af ​​atomgrænsefladen," sagde Yahui Zhang, en teoretisk fysiker fra Harvard University, som arbejdede med teamet på Brown at forstå fysikken forbundet med den observerede magnetisme.

"Den unikke indflydelse fra spin-orbit-kobling giver forskerne en ny eksperimentel knap til at dreje i bestræbelserne på at forstå opførselen af ​​magisk vinkelgrafen," sagde Erin Morrissette, en Brown-studerende, der udførte noget af det eksperimentelle arbejde. "Resultaterne har også potentiale til nye enhedsapplikationer."

Et muligt program er i computerens hukommelse. Holdet fandt ud af, at de magnetiske egenskaber af magisk vinkelgrafen kan kontrolleres med både eksterne magnetfelter og elektriske felter. Det ville gøre dette todimensionelle system til en ideel kandidat til en magnetisk hukommelsesenhed med fleksible læse-/skrivemuligheder.

En anden potentiel anvendelse er i kvanteberegning, siger forskerne. En grænseflade mellem en ferromagnet og en superleder er blevet foreslået som en potentiel byggesten til kvantecomputere. Problemet er imidlertid, at en sådan grænseflade er svær at skabe, fordi magneter generelt er ødelæggende for superledning. Men et materiale, der er i stand til både ferromagnetisme og superledning, kunne være en måde at skabe den grænseflade på.

"Vi arbejder på at bruge den atomare grænseflade til at stabilisere superledning og ferromagnetisme på samme tid," sagde Li. "Sameksistensen af ​​disse to fænomener er sjælden i fysik, og det vil helt sikkert låse op for mere spænding." + Udforsk yderligere

Løsning af gåderne med grafen-superledning