Sinds de ontdekking van grafeen in 2004, wetenschappers hebben gezocht naar manieren om deze getalenteerde, atomair dun 2D-materiaal om te werken. Dunner dan een enkele DNA-streng en toch 200 keer sterker dan staal, grafeen is een uitstekende geleider van elektriciteit en warmte, en het kan voldoen aan een willekeurig aantal vormen, van een ultradun 2D-vel, naar een elektronische schakeling.

Vorig jaar, een team van onderzoekers onder leiding van Feng Wang, een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een professor in de natuurkunde aan de UC Berkeley, ontwikkelde een multitasking grafeenapparaat dat overschakelt van een supergeleider die elektriciteit efficiënt geleidt, naar een isolator die de stroom van elektrische stroom weerstaat, en weer terug naar een supergeleider.

Nutsvoorzieningen, zoals vandaag gemeld in het journaal Natuur , de onderzoekers hebben gebruik gemaakt van het talent van hun grafeensysteem om niet alleen met twee eigenschappen te jongleren, maar drie:supergeleidend, isolerend, en een soort magnetisme dat ferromagnetisme wordt genoemd. Het multitasking-apparaat zou nieuwe natuurkundige experimenten mogelijk kunnen maken, zoals onderzoek naar een elektrisch circuit voor snellere, elektronica van de volgende generatie, zoals kwantumcomputertechnologieën.

"Tot dusver, materialen die tegelijkertijd supergeleidend zijn, isolerend, en magnetische eigenschappen zijn zeer zeldzaam geweest. En de meeste mensen geloofden dat het moeilijk zou zijn om magnetisme in grafeen te induceren, omdat het meestal niet magnetisch is. Ons grafeensysteem is het eerste dat alle drie de eigenschappen in één monster combineert, " zei Guorui Chen, een postdoctoraal onderzoeker in Wang's Ultrafast Nano-Optics Group aan UC Berkeley, en de hoofdauteur van de studie.

Elektriciteit gebruiken om het verborgen potentieel van grafeen aan te zetten

Grafeen heeft veel potentie in de wereld van elektronica. Zijn atomair dunne structuur, gecombineerd met zijn robuuste elektronische en thermische geleidbaarheid, "een uniek voordeel kunnen bieden bij de ontwikkeling van elektronica en geheugenopslagapparaten van de volgende generatie, " zei Chen, die ten tijde van het onderzoek ook werkte als postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab.

Het probleem is dat de magnetische materialen die tegenwoordig in de elektronica worden gebruikt, gemaakt zijn van ferromagnetische metalen, zoals ijzer- of kobaltlegeringen. Ferromagnetische materialen, zoals de gewone staafmagneet, een noord- en een zuidpool hebben. Wanneer ferromagnetische materialen worden gebruikt om gegevens op de harde schijf van een computer op te slaan, deze polen wijzen naar boven of naar beneden, die nullen en enen vertegenwoordigen, bits genoemd.

grafeen, echter, is niet gemaakt van een magnetisch metaal - het is gemaakt van koolstof.

Dus bedachten de wetenschappers een creatieve oplossing.

Ze ontwierpen een ultradun apparaat, slechts 1 nanometer dik, met drie lagen atomair dun grafeen. Wanneer ingeklemd tussen 2D-lagen boornitride, de grafeenlagen - in het onderzoek beschreven als drielaags grafeen - vormen een herhalend patroon dat een moiré-superrooster wordt genoemd.

Door elektrische spanningen aan te leggen via de poorten van het grafeenapparaat, de kracht van de elektriciteit dwong elektronen in het apparaat om in dezelfde richting te cirkelen, als kleine auto's die over een circuit racen. Dit genereerde een krachtig momentum dat het grafeenapparaat transformeerde in een ferromagnetisch systeem.

Meer metingen onthulden een verbazingwekkende nieuwe reeks eigenschappen:het interieur van het grafeensysteem was niet alleen magnetisch maar ook isolerend geworden; en ondanks het magnetisme, de buitenranden veranderden in kanalen van elektronische stroom die zonder weerstand bewegen. Dergelijke eigenschappen kenmerken een zeldzame klasse isolatoren die bekend staan ​​als Chern-isolatoren, aldus de onderzoekers.

Nog verrassender, berekeningen door co-auteur Ya-Hui Zhang van het Massachusetts Institute of Technology onthulden dat het grafeenapparaat niet slechts één, maar twee geleidende randen, waardoor het de eerste waargenomen "hoge-orde Chern-isolator, " een gevolg van de sterke elektron-elektron interacties in het drielaagse grafeen.

Wetenschappers zijn op zoek naar Chern-isolatoren in een onderzoeksgebied dat bekend staat als topologie, die exotische toestanden van materie onderzoekt. Chern-isolatoren bieden potentiële nieuwe manieren om informatie in een kwantumcomputer te manipuleren, waar gegevens worden opgeslagen in kwantumbits, of qubits. Een qubit kan een één vertegenwoordigen, een nul, of een toestand waarin het tegelijkertijd zowel een één als een nul is.

"Onze ontdekking toont aan dat grafeen een ideaal platform is voor het bestuderen van verschillende fysica, variërend van fysica van één deeltje, tot supergeleiding, en nu topologische fysica om kwantumfasen van materie in 2D-materialen te bestuderen, "Zei Chen. "Het is opwindend dat we nu nieuwe natuurkunde kunnen onderzoeken in een klein apparaatje van slechts 1 miljoenste millimeter dik."

De onderzoekers hopen meer experimenten uit te voeren met hun grafeenapparaat om beter te begrijpen hoe de Chern-isolator/magneet ontstond, en de mechanica achter zijn ongebruikelijke eigenschappen.