Fra en femlags grafensandwich opstår en sjælden elektronisk tilstand

Almindelig blyantbly besidder ekstraordinære egenskaber, når det barberes ned til lag så tynde som et atom. Et enkelt, atomtyndt ark grafit, kendt som grafen, er kun en lille brøkdel af bredden af ​​et menneskehår. Under et mikroskop ligner materialet en kyllingetråd af carbonatomer forbundet i et sekskantet gitter.

På trods af dets waif-lignende proportioner har videnskabsmænd gennem årene fundet ud af, at grafen er usædvanligt stærkt. Og når materialet er stablet og snoet i specifikke forvridninger, kan det påtage sig overraskende elektronisk adfærd.

Nu har MIT-fysikere opdaget en anden overraskende egenskab i grafen:Når den er stablet i fem lag, i et romboedrisk mønster, antager grafen en meget sjælden "multiferroisk" tilstand, hvor materialet udviser både ukonventionel magnetisme og en eksotisk type elektronisk adfærd. , som holdet har opfundet ferro-valleytricity.

"Graphene er et fascinerende materiale," siger teamleder Long Ju, assisterende professor i fysik ved MIT. "Hvert lag, du tilføjer, giver dig i det væsentlige et nyt materiale. Og nu er det første gang, vi ser ferro-dalen og ukonventionel magnetisme i fem lag af grafen. Men vi ser ikke denne egenskab i et, to, tre, eller fire lag."

Opdagelsen kan hjælpe ingeniører med at designe ultra-lav-strøm og høj kapacitet datalagringsenheder til klassiske og kvantecomputere.

"At have multiferroiske egenskaber i ét materiale betyder, at hvis det kunne spare energi og tid at skrive en magnetisk harddisk, kunne du også lagre dobbelt mængde information sammenlignet med konventionelle enheder," siger Ju.

Hans hold rapporterer om deres opdagelse i et papir i Nature . MIT medforfattere omfatter hovedforfatter Tonghang Han, plus Zhengguang Lu, Tianyi Han og Liang Fu; sammen med Harvard University samarbejdspartnere Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang og Hongkun Park; og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi fra National Institute for Materials Science i Japan.

En præference for ordre

Et ferroisk materiale er et, der viser en vis koordineret adfærd i dets elektriske, magnetiske eller strukturelle egenskaber. En magnet er et almindeligt eksempel på et ferroisk materiale:Dens elektroner kan koordinere sig til at spinde i samme retning uden et eksternt magnetfelt. Som et resultat peger magneten spontant i en foretrukken retning i rummet.

Andre materialer kan være ferroiske på forskellige måder. Men kun en håndfuld har vist sig at være multiferroisk - en sjælden tilstand, hvor flere egenskaber kan koordinere for at udvise flere foretrukne tilstande. I konventionel multiferroics ville det være, som om den elektriske ladning, udover at magneten peger i én retning, også skifter i en retning, der er uafhængig af den magnetiske retning.

Multiferroiske materialer er af interesse for elektronik, fordi de potentielt kan øge hastigheden og sænke energiomkostningerne på harddiske. Magnetiske harddiske gemmer data i form af magnetiske domæner - i det væsentlige mikroskopiske magneter, der læses som enten et 1 eller et 0, afhængigt af deres magnetiske orientering.

Magneterne omskiftes af en elektrisk strøm, som bruger meget energi og ikke kan fungere hurtigt. Hvis en lagerenhed kunne laves med multiferroiske materialer, kunne domænerne skiftes af et hurtigere elektrisk felt med meget lavere effekt. Ju og hans kolleger var nysgerrige efter, om multiferroisk adfærd ville dukke op i grafen.

Materialets ekstremt tynde struktur er et unikt miljø, hvori forskere har opdaget ellers skjulte, kvanteinteraktioner. Især spekulerede Ju på, om grafen ville vise multiferroisk, koordineret adfærd blandt dets elektroner, når det blev arrangeret under visse forhold og konfigurationer.

"Vi leder efter miljøer, hvor elektroner bremses - hvor deres interaktioner med det omgivende gitter af atomer er lille, så deres interaktioner med andre elektroner kan komme igennem," forklarer Ju. "Det er, når vi har en chance for at se interessant kollektiv adfærd af elektroner."

Holdet udførte nogle simple beregninger og fandt ud af, at en vis koordineret adfærd blandt elektroner skulle opstå i en struktur af fem grafenlag stablet sammen i et romboedrisk mønster. (Tænk på fem hønsetrådshegn, stablet og let forskudt, så strukturen set fra toppen ville ligne et mønster af diamanter.)

"I fem lag er elektroner tilfældigvis i et gittermiljø, hvor de bevæger sig meget langsomt, så de kan interagere med andre elektroner effektivt," siger Ju. "Det er, når elektronkorrelationseffekter begynder at dominere, og de kan begynde at koordinere sig til bestemte foretrukne ferroiske ordener."

Magiske flager

Forskerne gik derefter ind i laboratoriet for at se, om de faktisk kunne observere multiferroisk adfærd i femlags grafen. I deres forsøg startede de med en lille blok grafit, hvorfra de omhyggeligt eksfolierede individuelle flager. De brugte optiske teknikker til at undersøge hver flage og ledte specifikt efter femlags flager, arrangeret naturligt i et romboedrisk mønster.

"Til en vis grad gør naturen magien," sagde hovedforfatter og kandidatstuderende Han. "Og vi kan se på alle disse flager og se, hvilke der har fem lag, i denne romboedriske stabling, hvilket er det, der skulle give dig denne langsommere effekt i elektroner."

Holdet isolerede flere femlags flager og studerede dem ved temperaturer lige over det absolutte nulpunkt. Under sådanne ultrakolde forhold bør alle andre effekter, såsom termisk inducerede lidelser inden for grafen, dæmpes, hvilket tillader interaktioner mellem elektroner at opstå. Forskerne målte elektronernes reaktion på et elektrisk felt og et magnetfelt og fandt ud af, at der faktisk opstod to ferroiske ordener eller sæt af koordineret adfærd.

Den første ferroiske egenskab var en ukonventionel magnetisme:Elektronerne koordinerede deres orbitale bevægelse, som planeter, der cirkulerede i samme retning. (I konventionelle magneter koordinerer elektroner deres "spin" - roterer i samme retning, mens de forbliver relativt fikserede i rummet.)

Den anden ferroiske egenskab havde at gøre med grafens elektroniske "dal". I hvert ledende materiale er der visse energiniveauer, som elektroner kan optage. En dal repræsenterer den laveste energitilstand, som en elektron naturligt kan sætte sig. Som det viser sig, er der to mulige dale i grafen. Normalt har elektroner ingen præference for nogen af ​​dalene og sætter sig ligeligt i begge.

Men i fem-lags grafen fandt holdet ud af, at elektronerne begyndte at koordinere sig og foretrak at sætte sig i den ene dal frem for den anden. Denne anden koordinerede adfærd indikerede en ferroisk egenskab, der kombineret med elektronernes ukonventionelle magnetisme gav strukturen en sjælden, multiferroisk tilstand.

"Vi vidste, at der ville ske noget interessant i denne struktur, men vi vidste ikke præcis hvad, før vi testede det," siger medforfatter Lu, en postdoc i Jus gruppe. "Det er første gang, vi har set en ferro-valleytronics, og også første gang, vi har set en sameksistens af ferro-valleytronics med ukonventionel ferro-magnet."

Holdet viste, at de kunne kontrollere begge ferroiske egenskaber ved hjælp af et elektrisk felt. De forestiller sig, at hvis ingeniører kan inkorporere femlags grafen eller lignende multiferroiske materialer i en hukommelseschip, kunne de i princippet bruge det samme elektriske felt med lav effekt til at manipulere materialets elektroner på to måder i stedet for én, og effektivt dobbelt så mange data, der kunne lagres på en chip sammenlignet med konventionel multiferroics.

Selvom denne vision er langt fra praktisk virkeliggørelse, bryder holdets resultater ny vej i søgen efter bedre, mere effektive elektroniske, magnetiske og valleytroniske enheder.

Flere oplysninger: Long Ju, orbital multiferroicitet i pentalags rhombohedral grafen, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06572-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.