Μαγνητική έκπληξη αποκαλύφθηκε στο γραφένιο «μαγικής γωνίας».


Μαγνητική έκπληξη αποκαλύφθηκε στο γραφένιο «μαγικής γωνίας».

Όταν στρώματα γραφενίου «μαγικής γωνίας» (κάτω) έρχονται σε επαφή με στρώματα ορισμένων μετάλλων μετάπτωσης, προκαλείται ένα φαινόμενο που ονομάζεται σύζευξη περιστροφικής τροχιάς στα στρώματα γραφενίου. Αυτό το φαινόμενο προκαλεί εκπληκτική φυσική, συμπεριλαμβανομένου του σιδηρομαγνητισμού. Πίστωση: Li Lab / Πανεπιστήμιο Brown

Όταν δύο φύλλα του νανοϋλικού άνθρακα γραφένιο στοιβάζονται μαζί σε μια συγκεκριμένη γωνία μεταξύ τους, δημιουργείται κάποια συναρπαστική φυσική. Για παράδειγμα, όταν αυτό το αποκαλούμενο «γραφένιο με μαγική γωνία» ψύχεται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, γίνεται ξαφνικά υπεραγωγός, που σημαίνει ότι άγει ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση.


Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Brown ανακάλυψε ένα εκπληκτικό νέο φαινόμενο που μπορεί να προκύψει στο γραφένιο με μαγική γωνία. Σε έρευνα που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επιστήμη, η ομάδα έδειξε ότι προκαλώντας ένα φαινόμενο γνωστό ως , το γραφένιο με μαγική γωνία γίνεται ένας ισχυρός σιδηρομαγνήτης.

«Ο μαγνητισμός και η υπεραγωγιμότητα βρίσκονται συνήθως σε αντίθετα άκρα του φάσματος στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και είναι σπάνιο να εμφανίζονται στην ίδια υλική πλατφόρμα», δήλωσε η Jia Li, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Brown και ανώτερος συγγραφέας της έρευνας. “Ωστόσο, δείξαμε ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε μαγνητισμό σε ένα σύστημα που αρχικά φιλοξενούσε υπεραγωγιμότητα. Αυτό μας δίνει έναν νέο τρόπο να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ υπεραγωγιμότητας και μαγνητισμού και παρέχει συναρπαστικές νέες δυνατότητες για την έρευνα της κβαντικής επιστήμης.”

Το γραφένιο με μαγική γωνία έχει προκαλέσει μεγάλη αναταραχή στη φυσική τα τελευταία χρόνια. Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο υλικό από διατεταγμένα σε μοτίβο σαν κηρήθρα. Τα μεμονωμένα φύλλα γραφενίου είναι ενδιαφέροντα από μόνα τους—εμφανίζοντας αξιοσημείωτη αντοχή υλικού και εξαιρετικά αποτελεσματική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Αλλά τα πράγματα γίνονται ακόμη πιο ενδιαφέροντα όταν στοιβάζονται φύλλα γραφενίου. Τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να αλληλεπιδρούν όχι μόνο με άλλα ηλεκτρόνια μέσα σε ένα φύλλο γραφενίου, αλλά και με αυτά στο διπλανό φύλλο. Η αλλαγή της γωνίας των φύλλων μεταξύ τους αλλάζει αυτές τις αλληλεπιδράσεις, προκαλώντας ενδιαφέροντα κβαντικά φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα.

Αυτή η νέα έρευνα προσθέτει μια νέα ρυτίδα – σύζευξη περιστροφικής τροχιάς – σε αυτό το ήδη ενδιαφέρον σύστημα. Η σύζευξη περιστροφικής τροχιάς είναι μια κατάσταση συμπεριφοράς ηλεκτρονίων σε ορισμένα υλικά στην οποία το σπιν κάθε ηλεκτρονίου -η μικροσκοπική μαγνητική του ροπή που δείχνει είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω- συνδέεται με την τροχιά του γύρω από τον ατομικό πυρήνα.

«Γνωρίζουμε ότι η σύζευξη περιστροφικής τροχιάς προκαλεί ένα ευρύ φάσμα από ενδιαφέροντα κβαντικά φαινόμενα, αλλά δεν υπάρχει συνήθως στο γραφένιο με μαγική γωνία», δήλωσε ο Jiang-Xiazi Lin, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Brown και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. «Θέλαμε να εισαγάγουμε τη σύζευξη περιστροφικής τροχιάς και μετά να δούμε τι επίδραση είχε στο σύστημα».

Για να γίνει αυτό, ο Li και η ομάδα του συνέδεσαν το γραφένιο με μαγική γωνία με ένα μπλοκ από δισελενίδιο βολφραμίου, ένα υλικό που έχει ισχυρή σύζευξη περιστροφικής τροχιάς. Η ευθυγράμμιση της στοίβας με ακρίβεια προκαλεί σύζευξη περιστροφικής τροχιάς στο γραφένιο. Από εκεί, η ομάδα εξέτασε το σύστημα με εξωτερικά ηλεκτρικά ρεύματα και μαγνητικά πεδία.

Τα πειράματα έδειξαν ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει προς μία κατεύθυνση κατά μήκος του υλικού παρουσία ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου παράγει μια τάση στην κατεύθυνση κάθετη στο ρεύμα. Αυτή η τάση, γνωστή ως φαινόμενο Hall, είναι η ενδεικτική υπογραφή ενός εγγενούς μαγνητικού πεδίου στο υλικό.

Προς μεγάλη έκπληξη της ερευνητικής ομάδας, έδειξαν ότι η μαγνητική κατάσταση μπορούσε να ελεγχθεί χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, το οποίο είναι προσανατολισμένο είτε στο επίπεδο του γραφενίου είτε εκτός επιπέδου. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα μαγνητικά υλικά χωρίς σύζευξη περιστροφικής τροχιάς, όπου ο εγγενής μαγνητισμός μπορεί να ελεγχθεί μόνο όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ευθυγραμμισμένο κατά μήκος της κατεύθυνσης του μαγνητισμού.

“Αυτή η παρατήρηση είναι μια ένδειξη ότι η σύζευξη περιστροφικής τροχιάς είναι πράγματι παρούσα και παρείχε την ένδειξη για τη δημιουργία ενός θεωρητικού μοντέλου για την κατανόηση της επιρροής της ατομικής διεπαφής”, δήλωσε ο Yahui Zhang, ένας θεωρητικός φυσικός από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που εργάστηκε με την ομάδα στο Μπράουν. να κατανοήσουν τη φυσική που σχετίζεται με τον παρατηρούμενο μαγνητισμό.

«Η μοναδική επιρροή της σύζευξης περιστροφικής τροχιάς δίνει στους επιστήμονες ένα νέο πειραματικό πόμολο για να στραφούν στην προσπάθεια κατανόησης της συμπεριφοράς του γραφενίου με μαγική γωνία», είπε η Έριν Μορισέτ, μια μεταπτυχιακή φοιτήτρια Brown που πραγματοποίησε μερικές από τις πειραματικές εργασίες. “Τα ευρήματα έχουν επίσης τη δυνατότητα για νέες εφαρμογές συσκευών.”

Μια πιθανή εφαρμογή είναι στη μνήμη του υπολογιστή. Η ομάδα ανακάλυψε ότι οι μαγνητικές ιδιότητες της μαγικής γωνίας μπορεί να ελεγχθεί τόσο με εξωτερικά μαγνητικά πεδία όσο και με ηλεκτρικά πεδία. Αυτό θα έκανε αυτό το δισδιάστατο σύστημα ιδανικό υποψήφιο για συσκευή μαγνητικής μνήμης με ευέλικτες επιλογές ανάγνωσης/εγγραφής.

Μια άλλη πιθανή εφαρμογή είναι στον κβαντικό υπολογισμό, λένε οι ερευνητές. Μια διεπαφή μεταξύ ενός σιδηρομαγνήτη και ενός υπεραγωγού έχει προταθεί ως πιθανό δομικό στοιχείο για κβαντικούς υπολογιστές. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι μια τέτοια διεπαφή είναι δύσκολο να δημιουργηθεί επειδή οι μαγνήτες είναι γενικά καταστροφικοί για την υπεραγωγιμότητα. Αλλά ένα υλικό που είναι ικανό και για τα δύο και η υπεραγωγιμότητα θα μπορούσε να προσφέρει έναν τρόπο δημιουργίας αυτής της διεπαφής.

«Εργαζόμαστε για τη χρήση της ατομικής διεπαφής για τη σταθεροποίηση και σιδηρομαγνητισμός ταυτόχρονα», είπε ο Λι. «Η συνύπαρξη αυτών των δύο φαινομένων είναι σπάνια στη φυσική και σίγουρα θα ξεκλειδώσει περισσότερο ενθουσιασμό».


Επίλυση των γρίφων της υπεραγωγιμότητας του γραφενίου


Περισσότερες πληροφορίες:
Jiang-Xiazi Lin et al, Σιδηρομαγνητισμός οδηγούμενος σε τροχιά περιστροφής σε γέμιση μισού moiré σε στριμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο με μαγική γωνία, Επιστήμη (2022). DOI: 10.1126/science.abh2889

Παρέχεται από
Πανεπιστήμιο Μπράουν

Παραπομπή: Η μαγνητική έκπληξη αποκαλύφθηκε στο γραφένιο «magic-angle» (2022, 6 Ιανουαρίου) ανακτήθηκε στις 6 Ιανουαρίου 2022 από https://phys.org/news/2022-01-magnetic-revealed-magic-angle-graphene.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *