Magneettisia yllätyksiä grafeeneissa

Brownin yliopiston tutkimusryhmä on löytänyt yllättävän uuden ilmiön, joka voi syntyä taikakulmagrafeenissa. Tutkijaryhmä osoitti, että indusoimalla ilmiön, joka tunnetaan nimellä spin-orbit coupling, taikakulmagrafeenista tulee voimakas ferromagneetti.

"Magnetismi ja suprajohtavuus ovat yleensä spektrin vastakkaisissa päissä kondensoidun aineen fysiikassa ja on harvinaista, että ne esiintyvät samalla materiaalialustalla", sanoi fysiikan apulaisprofessori Jia Li. "Olemme kuitenkin osoittaneet, että voimme luoda magnetismia järjestelmässä, joka alun perin isännöi suprajohtavuutta. Tämä antaa meille uuden tavan tutkia suprajohtavuuden ja magnetismin vuorovaikutusta ja tarjoaa jännittäviä uusia mahdollisuuksia kvanttitieteen tutkimukseen."

"Tiedämme, että spin-kiertoratakytkentä synnyttää monia mielenkiintoisia kvantti-ilmiöitä, mutta se ei normaalisti esiinny maagisen kulman grafeenissa", sanoi Brownin tutkijatohtori Jiang-Xiazi Lin.

Kokeiluja varten tutkijat liittivät taikakulmagrafeenin volframidiselenidilohkoon, materiaaliin, jolla on vahva spin-kiertoratakytkentä. Pinon tarkka kohdistaminen saa aikaan spin-kiertoratakytkennän grafeenissa.

Ilmiön yksi mahdollinen sovellus on tietokoneen muistit. Havaittiin, että maagisen kulman grafeenin magneettisia ominaisuuksia voidaan ohjata sekä ulkoisilla magneettikentillä että sähkökentillä. Tämä tekisi tästä kaksiulotteisesta järjestelmästä ihanteellisen ehdokkaan magneettisille muistirakenteille joustavilla luku-/kirjoitusvaihtoehdoilla.

Toinen mahdollinen sovellus on kvanttilaskenta. Ferromagneetin ja suprajohteen välistä rajapintaa on ehdotettu mahdolliseksi rakennuspalikaksi kvanttitietokoneille. Ongelmana on kuitenkin se, että tällaista rajapintaa on vaikea luoda, koska magneetit ovat yleensä tuhoavia suprajohtavuudelle. Mutta materiaali, joka pystyy sekä ferromagnetismiin että suprajohtavuuteen, voisi tarjota tavan luoda tämä rajapinta.

"Pyrimme käyttämään atomirajapintaa suprajohtavuuden ja ferromagnetismin vakauttamiseksi samanaikaisesti", Li sanoi. "Näiden kahden ilmiön rinnakkaiselo on harvinainen fysiikassa, ja se varmasti avaa lisää jännitystä."

Texas Dallasin yliopiston teoreetikot yhdessä saksalaisten kollegoiden kanssa ovat puolestaan havainneet kvanttipoikkeavan Hall-ilmiön hyvin yksinkertaisessa materiaalissa eli kaksikerroksisessa pinotussa grafeenissa. Aiemmissa kokeissa se on havaittu vain monimutkaisissa tai herkissä materiaaleissa.

Göttingenin yliopiston professori Thomas Weitz, toteaa: "Lisäksi havaitsimme varsin ristiriitaisesti, että vaikka hiilen ei pitäisi olla magneettista tai ferrosähköistä, havaitsimme kokeellisia ilmiöitä, jotka ovat yhdenmukaisia molempien kanssa."

Kyky hallita kaksikerroksisen grafeenin elektronisia ominaisuuksia niin suuressa määrin saattaa tehdä siitä potentiaalisen ehdokkaan tuleville pienihäviöisille kvanttitietotekniikan sovelluksille, vaikka tutkijat sanovat olevansa ensisijaisesti kiinnostuneita paljastamaan "perusfysiikan kauneuden".

"Nyt tiedämme, että voimme yhdistää ferromagnetismin, ferrosähköisyyden ja kvanttipoikkeavan Hall-ilmiön tässä yksinkertaisessa materiaalissa, mikä on hämmästyttävää ja ennennäkemätöntä," iloitsevat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Yliääniä ja suprajohtavuutta grafeenissa

Kiertymiä ja laaksoja

Magnetismin ja ferrosähkön kierteitä grafeenissa