Kaksiulotteista ferrimagnetismia grafeeniin

Pietarin yliopiston tutkijat yhdessä kansainvälisten kollegojensa kanssa syntetisoivat ensimmäisenä maailmassa grafeenia, jolla on ferrimagneettinen järjestys – vastakkaiset magnetisaatiot sen alihiloissa.

Saadun grafeenin magneettisen tilan käyttö voi avata uuden lähestymistavan elektroniikkaan, lisäämällä sen energiatehokkuutta ja nopeutta sellaisten laitteiden kehittämisessä, jotka käyttävät vaihtoehtoisia teknologioita ilman piin käyttöä.

Grafeeni, kaksiulotteinen hiilen muunnos, on kevyin ja vahvin kaikista nykyään saatavilla olevista kaksiulotteisista materiaaleista, ja se on myös erittäin johtava.

Vuonna 2018 Pietarin yliopiston tutkijat yhdessä kollegoidensa Tomskin valtionyliopistosta sekä saksalaisten ja espanjalaisten tutkijoiden kanssa muuttivat ensimmäisinä maailmassa grafeenia ja antoivat sille koboltin ja kullan ominaisuudet – magnetismi sekä spin-kiertoradan vuorovaikutus (grafeenissa liikkuvan elektronin ja sen oman magneettisen momentin välillä).

Vuorovaikutuksessa koboltin ja kullan kanssa grafeeni ei vain säilytä ainutlaatuisia ominaisuuksiaan, vaan myös ottaa osittain näiden metallien ominaisuudet – magnetismin ja spin-kiertoradan vuorovaikutuksen.

Osana uutta työtä tutkijat syntetisoivat järjestelmän, jossa on grafeenin ferrimagneettinen tila. Se on ainutlaatuinen tila, jossa aine magnetoituu ulkoisen magneettikentän puuttuessa. Fyysikot käyttivät samanlaista substraattia, joka oli valmistettu ohuesta kobolttikerroksesta ja kullan seoksesta sen pinnalla.

Pintalejeeringin aikana grafeenin alle muodostui dislokaatiosilmukoita. Nämä silmukat ovat kolmion muotoisia alueita, joissa on pienempi kobolttiatomien tiheys ja jossa kulta-atomit ovat siirtyneet lähemmäksi.

Tähän asti tiedettiin, että yksikerroksinen grafeeni voi olla täysin magnetoitu vain alan kattavalla yhtenäisellä tavalla. Nyt tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että yksittäisten alihilojen atomien magnetoitumista on mahdollista hallita selektiivisellä vuorovaikutuksella substraatin rakenteellisten vikojen kanssa.

"Tämä on merkittävä löytö, koska kaikki elektroniset laitteet käyttävät sähkövarauksia ja siihen liittyen sisältävät lämmön tuottoa virran kulkiessa. Tutkimuksemme mahdollistaa lopulta informaation välittämisen spinvirtojen muodossa," selittää Artem Rybkin, työn johtava tutkija Pietarin yliopistossa.

Fyysikkojen nyt syntetisoiman grafeenin toinen tärkeä ominaisuus on voimakas spin-kiertoradan vuorovaikutus. Tässä rakenteessa tämän vuorovaikutuksen vahvistuminen selittyy kulta-atomien läsnäololla grafeenin alla. Tietyllä magneettisen ja spin-kiertoradan vuorovaikutusparametrien suhteella on mahdollista siirtyä grafeenin triviaalista eli tutusta tilasta uuteen, topologiseen.

Aiheesta aiemmin:

Magneettisia yllätyksiä grafeeneissa