Soms gebeuren de beste ontdekkingen wanneer wetenschappers het het minst verwachten. Terwijl ik de bevinding van een ander team probeer te repliceren, Natuurkundigen van Stanford stuitten onlangs op een nieuwe vorm van magnetisme, voorspeld maar nooit eerder gezien, dat ontstaat wanneer twee honingraatvormige roosters van koolstof zorgvuldig worden gestapeld en onder een speciale hoek worden gedraaid.

De auteurs suggereren het magnetisme, orbitaal ferromagnetisme genoemd, nuttig kan zijn voor bepaalde toepassingen, zoals kwantumcomputers. De groep beschrijft hun bevinding in het 25 juli nummer van het tijdschrift Wetenschap .

"We mikten niet op magnetisme. We ontdekten wat misschien wel het meest opwindende ding in mijn carrière tot nu toe is door deels gerichte en deels toevallige verkenning, " zei studieleider David Goldhaber-Gordon, een professor in de natuurkunde aan de Stanford's School of Humanities and Sciences. "Onze ontdekking laat zien dat de meest interessante dingen soms verrassingen blijken te zijn."

De Stanford-onderzoekers deden hun ontdekking per ongeluk terwijl ze probeerden een bevinding te reproduceren die schokgolven door de natuurkundige gemeenschap stuurde. Begin 2018, Pablo Jarillo-Herrero's groep bij MIT kondigde aan dat ze een stapel van twee subtiel verkeerd uitgelijnde vellen koolstofatomen hadden overgehaald - gedraaid dubbellaags grafeen - om elektriciteit zonder weerstand te geleiden, een eigenschap die bekend staat als supergeleiding.

De ontdekking was een verbluffende bevestiging van een bijna tien jaar oude voorspelling dat grafeenplaten die in een zeer specifieke hoek zijn gedraaid, interessante verschijnselen zouden vertonen.

Wanneer gestapeld en gedraaid, grafeen vormt een superrooster met een herhalende interferentie, of moiré, patroon. "Het is alsof je twee muziektonen speelt die net iets verschillende frequenties hebben, ' zei Goldhaber-Gordon. 'Je krijgt een slag tussen de twee die verband houdt met het verschil tussen hun frequenties. Dat is vergelijkbaar met wat je krijgt als je twee roosters op elkaar stapelt en ze draait zodat ze niet perfect uitgelijnd zijn."

Natuurkundigen theoretiseerden dat het specifieke superrooster dat wordt gevormd wanneer grafeen tot 1,1 graad draait, ervoor zorgt dat de normaal gevarieerde energietoestanden van elektronen in het materiaal instorten, het creëren van wat zij een platte band noemen waar de snelheid waarmee elektronen bewegen tot bijna nul daalt. Zo vertraagd, de bewegingen van een elektron worden sterk afhankelijk van die van anderen in zijn omgeving. Deze interacties vormen de kern van vele exotische kwantumtoestanden van materie.

"Ik vond de ontdekking van supergeleiding in dit systeem verbazingwekkend. Het was meer dan iemand het recht had te verwachten, " zei Goldhaber-Gordon. "Maar ik had ook het gevoel dat er veel meer te ontdekken was en nog veel meer vragen te beantwoorden, dus probeerden we het werk te reproduceren en vervolgens te kijken hoe we erop konden voortbouwen."

Een reeks gelukkige gebeurtenissen

Terwijl ik probeerde de resultaten van het MIT-team te dupliceren, Goldhaber-Gordon en zijn groep voerden twee schijnbaar onbelangrijke veranderingen door.

Eerst, terwijl de honingraatvormige koolstofroosters worden ingekapseld in dunne lagen hexagonaal boornitride, de onderzoekers roteerden per ongeluk een van de beschermende lagen in bijna uitlijning met het gedraaide dubbellaagse grafeen.

"Het blijkt dat als je het boornitride-rooster bijna op één lijn brengt met het rooster van het grafeen, je verandert drastisch de elektrische eigenschappen van het gedraaide dubbellaagse grafeen, " zei studie co-eerste auteur Aaron Sharpe, een afgestudeerde student in het lab van Goldhaber-Gordon.

Ten tweede, de groep overschreed opzettelijk de rotatiehoek tussen de twee grafeenplaten. In plaats van 1,1 graden, ze mikten op 1,17 graden omdat anderen onlangs hadden aangetoond dat gedraaide grafeenplaten de neiging hebben om tijdens het productieproces in kleinere hoeken te zakken.

"We dachten dat als we streven naar 1,17 graden, dan gaat het terug naar 1,1 graden, en we zullen blij zijn, ' zei Goldhaber-Gordon. 'In plaats daarvan, we hebben 1,2 graden."

Een abnormaal signaal

De gevolgen van deze kleine veranderingen werden pas duidelijk toen de Stanford-onderzoekers de eigenschappen van hun gedraaide grafeenmonster begonnen te testen. Vooral, ze wilden bestuderen hoe de magnetische eigenschappen veranderden toen de platte band - die verzameling toestanden waarin elektronen langzaam tot bijna nul worden - werd gevuld of leeggemaakt van elektronen.

Terwijl ze elektronen in een monster pompten dat dicht bij het absolute nulpunt was afgekoeld, Sharpe ontdekte een grote elektrische spanning loodrecht op de stroom van de stroom toen de platte band voor driekwart vol was. Bekend als een Hall-spanning, zo'n spanning verschijnt meestal alleen in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld, maar in dit geval de spanning bleef bestaan, zelfs nadat het externe magnetische veld was uitgeschakeld.

Dit afwijkende Hall-effect kon alleen worden verklaard als het grafeenmonster zijn eigen interne magnetische veld opwekte. Verder, dit magnetische veld kan niet het resultaat zijn van het op één lijn brengen van de opwaartse of neerwaartse spintoestand van elektronen, zoals typisch het geval is voor magnetische materialen, maar in plaats daarvan moet zijn voortgekomen uit hun gecoördineerde orbitale bewegingen.

"Voor zover we weten, dit is het eerste bekende voorbeeld van orbitaal ferromagnetisme in een materiaal, Goldhaber-Gordon zei. "Als het magnetisme te wijten was aan spinpolarisatie, je zou geen Hall-effect verwachten. We zien niet alleen een Hall-effect, maar een enorm Hall-effect."

Kracht in zwakte

De onderzoekers schatten dat het magnetische veld nabij het oppervlak van hun gedraaide grafeenmonster ongeveer een miljoen keer zwakker is dan dat van een conventionele koelkastmagneet, maar deze zwakte kan in bepaalde scenario's een sterkte zijn, zoals het bouwen van geheugen voor kwantumcomputers.

"Ons magnetisch dubbellaags grafeen kan worden ingeschakeld met een zeer laag vermogen en kan heel gemakkelijk elektronisch worden gelezen, "Goldhaber-Gordon zei. "Het feit dat er geen groot magnetisch veld is dat zich vanaf het materiaal naar buiten uitstrekt, betekent dat je magnetische bits heel dicht bij elkaar kunt pakken zonder je zorgen te maken over interferentie."

Het lab van Goldhaber-Gordon is nog niet klaar met het onderzoeken van gedraaid dubbellaags grafeen. De groep is van plan meer monsters te maken met behulp van recent verbeterde fabricagetechnieken om het orbitale magnetisme verder te onderzoeken.