Magnetismin ja ferrosähkön kierteitä grafeenissa

Kaavio laakso-spiraalista magneettisesti kapseloidussa kierretyssä kaksikerroksisessa grafeenissa.

Yhdistämällä ferromagneetteja ja kahta kierrettyä grafeenikerrosta tutkijat avaavat uuden alustan vahvasti vuorovaikutuksessa oleville elektronitiloille käyttämällä grafeenin ainutlaatuista kvanttista vapausastetta

Elektroneilla on niiden spinistä johtuva magneettinen ominaisuus. Grafeenimateriaaleissa tunnetaan spiniä vastaava kvanttiominaisuus, jota voidaan kutsua potentiaalikuopaksi tai laaksoksi. Laaksotroniikka on verrattain uusi potentiaalikuoppia ja energiaminimejä hyödyntävä fysiikan ala.

“Laaksotroniikassa informaatiota voidaan koodata paikallisten energiaminimien avulla vastaavasti kuin elektronivarausten ja spintroniikan spinien avulla. Laaksotroniikkaan perustuvat laitteet voivat olla merkittävästi tehokkaampia kuin elektroniikkaan perustuvat ja paljon vakaampia kuin spintroniikkaan perustuvat laitteet”, sanoo Aalto-yliopiston professori Jose Lado.

Aikaisemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että moire-kuvioisilla grafeenikerroksilla on ominaisuuksia, jotka voivat johtaa uusiin materiaalisovelluksiin kvanttiteknologiassa. Niissä epätavanomaiset kvanttitilat ovat riippuvaisia sähkövarauksesta tai spinistä. Toistaiseksi on kuitenkin ollut epäselvää, voidaanko uudenlaisia kvanttitiloja toteuttaa myös vallitroniikassa.

Magneettisia van der Waals -materiaaleja ovat nyt tutkineet Jose Ladon lisäksi ETH Zürichin tutkijat. He pystyivät osoittamaan, että uudenlainen laaksotila voidaan saada aikaan sijoittamalla moire-kierretty grafeenikerrostus ferromagneettiseen kapselointiin. Yhdistelmän avulla voidaan hallita elektronien käyttäytymistä materiaalissa. Laaksotilaa voidaan virittää sähköisesti ja saada aikaiseksi uudenlainen tätä tilaa hyödyntävä materiaali.

“Nyt osoitettujen vahvasti vuorovaikutteisten tilojen osoittaminen on alkupiste kohti eksoottisia lomittuneita, laaksotiloihin perustuvia kvanttinesteitä ja kvantti-Hall-tiloja. Näitä kahta eksoottista materiaalitilaa ei ole löydetty luonnosta. Ne voivat mahdollistaa uudenlaisen grafeenipohjaisen alustan topologiselle kvanttilaskennalle”, Jose Lado sanoo.

MIT:n tutkijat ja kollegat osoittavat puolestaan, että kaksikerroksinen grafeeni kahden boorinitridikerrosten välissä moire-kuvioineen voi olla myös ferrosähköinen.

Tavanomaiset ferrosähköiset aineet ovat eristeitä mutta MIT:n ferrosähköisyys toimii täysin erilaisen mekanismin avulla, mikä antaa sille mahdollisuuden johtaa sähköä.

Tutkijoiden mukaan kyseessä on ensimmäinen osoitus puhtaasta sähköisestä ferrosähköstä, joka osoittaa varauksen polarisaation ilman ioniliikettä alla olevassa hilassa. Näin yllättävä löytö kutsuu varmasti lisää tutkimuksia, jotka voivat paljastaa mielenkiintoisempia ilmiöitä ja tarjota mahdollisuuden hyödyntää niitä ultranopeissa muistisovelluksissa.

Aiheista aiemmin:

Kohti kolmatta ulottuvuutta

Eksitoneja ja kvanttimateriaaleja

Uusia tiloja grafeenin taikakulmassa