Скрученный графен превратили в аномальный магнит

В экспериментах с зажатым между листами нитрида бора скрученным двухслойным графеном удалось наблюдать переход вещества в магнитное состояние. Полученное свойство было подтверждено наличием аномального эффекта Холла и магнитного гистерезиса. В данном случае за это отвечает редкое явление — орбитальный ферромагнетизм, пишут ученые в журнале Science.

Графен — это одна из аллотропных модификаций чистого углерода, которая представляет собой плоские кристаллы с шестиугольной структурой. Это вещество обладает рекордными или экзотическими свойствами сразу в нескольких категориях, из-за чего его активно исследуют как с точки зрения фундаментальных физических свойств, так и в плане применимости в технологиях.

Несколько лет назад физики обнаружили, что в двухслойном графене при повороте слоев на «магический угол» друг относительно друга возникает сверхпроводимость. Это открытие вызвало всплеск интереса к скрученному графену и его свойствам. С физической точки зрения это явление в первую очередь связано с возникновением сверхрешетки, то есть повторяющегося узора, в узлах которого шестиугольные ячейки листов графена из разных слоев находятся строго друг над другом, а между которыми — не совпадают.

Физики из США и Японии под руководством Дэвида Гольдхабер-Гордона (David Goldhaber-Gordon) из Стэнфордского университета изначально собирались воспроизвести полученные ранее другой группой результаты о сверхпроводимости двухслойного графена, но обнаружили принципиально новое явление. Оказалось, что при определенном уровне заполнения электронных энергетических зон наблюдался мощный эффект Холла — появление поперечной разности потенциалов при пропускании через вещество тока. Обычно этот эффект возникает в присутствии внешнего магнитного поля, но в этом случае разница потенциалов возникала без него. Получается, что ученые имели дело с аномальным эффектом Холла, а магнитное поле было присуще самому материалу, ферромагнитная природа которого была подтверждена наблюдением гистерезиса.

Читайте также:  На Украине планируют в 2019 году начать строительство Hyperloop

Обычный однослойный графен характеризуется линейным законом дисперсии электронов, то есть зависимостью энергии частиц от импульса. При этом каждая элементарная ячейка может содержать до двух электронов с разными спинами. Однако в скрученном двухслойном графене возникает плоская энергетическая зона, в которой частицы обладают эффективной нулевой энергией, движутся без взаимодействия друг с другом и узлами решетки, что и определят сверхпроводящие свойства. Каждая элементарная ячейка сверхрешетки может содержать уже до четырех электронов с парами разных спиновых и орбитальных состояний.

Теперь ученые выяснили, что заполнение зоны сверхрешетки на 3/4 обеспечивает возникновение магнетизма. Заполнение на три четверти в данном случае означает не то, что каждая из четырех зон заполнена на три четверти, а что организация электронов обеспечивает полное заполнение трех зон, оставляя четвертую полностью пустой. В таком случае электроны оказываются поляризованы как по спиновым, так и по орбитальным состояниям, что в результате приводит к возникновению мощного аномального эффекта Холла, что и было зафиксировано в экспериментах. Однако такой вид магнетизма весьма необычен, ведь в обычных ферромагнетиках (для которых не характерен аномальный эффект Холла) связанными являются только спины электронов, а в данном случае был зафиксирован редкий тип орбитального ферромагнетизма.

Дополнительные исследования показали, что такие большие изменения в свойствах вещества стали результатом всего двух небольших отличий в технологии изготовления. Во-первых, авторы развернули не только один из слоев графена, но и прикрепленный к нему с внешней стороны слой нитрида бора. Во-вторых, был выбран слегка больший угол закрутки — 1,2 градуса вместо 1,1.

Авторы отмечают, что графен и раньше делали магнитным, но до этого подобное достигалось за счет включения неоднородностей или наличия сильного взаимодействия с подложкой из магнитного материала, в то время как в новой работе это не так. Также, несмотря на то, что генерируемое таким графеном магнитное поле весьма мало, оно может найти применение, например, в области записи информации, ведь малое поле означает возможность очень плотного расположения магнитных битов, которые не будут влиять друг на друга.

Читайте также:  Почему в "в Роскосмосе"путают космодромы и запускают спутники в океан

Ранее ученые научились получать оксид графена без вреда для окружающей среды, открыли настраиваемую сверхпроводимость трехслойного графена, ускорили рост монокристаллов графена осаждением на жидкий металл и предложили удешевить его производство в сотни раз при помощи коры эвкалипта.

Не жмись, лайкни!!!


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *