Wanneer twee vellen van het koolstofnanomateriaal grafeen onder een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar op elkaar worden gestapeld, leidt dit tot fascinerende fysica. Wanneer dit zogenaamde "magische hoekgrafeen" bijvoorbeeld wordt afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, wordt het plotseling een supergeleider, wat betekent dat het elektriciteit geleidt zonder weerstand.

Nu heeft een onderzoeksteam van Brown University een verrassend nieuw fenomeen ontdekt dat kan ontstaan ​​in grafeen met een magische hoek. In onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science , toonde het team aan dat door het induceren van een fenomeen dat bekend staat als spin-baankoppeling, magische hoek grafeen een krachtige ferromagneet wordt.

"Magnetisme en supergeleiding bevinden zich meestal aan tegenovergestelde uiteinden van het spectrum in de fysica van de gecondenseerde materie, en het is zeldzaam dat ze in hetzelfde materiële platform verschijnen", zegt Jia Li, een assistent-professor natuurkunde bij Brown en senior auteur van het onderzoek. "Toch hebben we aangetoond dat we magnetisme kunnen creëren in een systeem dat oorspronkelijk supergeleiding bevatte. Dit geeft ons een nieuwe manier om de wisselwerking tussen supergeleiding en magnetisme te bestuderen, en biedt opwindende nieuwe mogelijkheden voor kwantumwetenschappelijk onderzoek."

Magische hoekgrafeen heeft de afgelopen jaren nogal wat opschudding veroorzaakt in de natuurkunde. Grafeen is een tweedimensionaal materiaal gemaakt van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatachtig patroon. Losse vellen grafeen zijn op zichzelf al interessant:ze vertonen een opmerkelijke materiaalsterkte en extreem efficiënte elektrische geleiding. Maar het wordt nog interessanter wanneer grafeenvellen worden gestapeld. Elektronen beginnen niet alleen te interageren met andere elektronen in een grafeenblad, maar ook met die in het aangrenzende blad. Door de hoek van de platen ten opzichte van elkaar te veranderen, veranderen die interacties, wat aanleiding geeft tot interessante kwantumfenomenen zoals supergeleiding.

Dit nieuwe onderzoek voegt een nieuwe rimpel-spin-orbit-koppeling toe aan dit toch al interessante systeem. Spin-baankoppeling is een toestand van elektronengedrag in bepaalde materialen waarin de spin van elk elektron - het kleine magnetische moment dat naar boven of naar beneden wijst - wordt gekoppeld aan zijn baan rond de atoomkern.

"We weten dat spin-baankoppeling aanleiding geeft tot een breed scala aan interessante kwantumfenomenen, maar het is normaal niet aanwezig in grafeen met een magische hoek", zegt Jiang-Xiazi Lin, een postdoctoraal onderzoeker bij Brown en de hoofdauteur van het onderzoek. "We wilden spin-orbit-koppeling introduceren en dan kijken welk effect dit op het systeem had."

Om dat te doen, hebben Li en zijn team grafeen met een magische hoek gekoppeld aan een blok wolfraamdiselenide, een materiaal met een sterke spin-baankoppeling. Het precies uitlijnen van de stapel induceert spin-baankoppeling in het grafeen. Van daaruit onderzocht het team het systeem met externe elektrische stromen en magnetische velden.

De experimenten toonden aan dat een elektrische stroom die in één richting over het materiaal vloeit in aanwezigheid van een extern magnetisch veld een spanning produceert in de richting loodrecht op de stroom. Die spanning, bekend als het Hall-effect, is de veelbetekenende signatuur van een intrinsiek magnetisch veld in het materiaal.

Tot verbazing van het onderzoeksteam toonden ze aan dat de magnetische toestand kan worden gecontroleerd met behulp van een extern magnetisch veld, dat ofwel in het vlak van het grafeen of buiten het vlak is georiënteerd. Dit in tegenstelling tot magnetische materialen zonder spin-baankoppeling, waar het intrinsieke magnetisme alleen kan worden gecontroleerd wanneer het externe magnetische veld is uitgelijnd in de richting van het magnetisme.

"Deze waarneming is een indicatie dat spin-baankoppeling inderdaad aanwezig is en gaf de aanwijzing voor het bouwen van een theoretisch model om de invloed van de atomaire interface te begrijpen", zegt Yahui Zhang, een theoretisch fysicus van de Harvard University die met het team van Brown samenwerkte. om de fysica te begrijpen die verband houdt met het waargenomen magnetisme.

"De unieke invloed van spin-orbit-koppeling geeft wetenschappers een nieuwe experimentele knop om het gedrag van grafeen met magische hoek te begrijpen", zegt Erin Morrissette, een afgestudeerde Brown-student die een deel van het experimentele werk uitvoerde. "De bevindingen hebben ook het potentieel voor nieuwe apparaattoepassingen."

Een mogelijke toepassing is in het computergeheugen. Het team ontdekte dat de magnetische eigenschappen van grafeen met een magische hoek kunnen worden gecontroleerd met zowel externe magnetische velden als elektrische velden. Dat zou dit tweedimensionale systeem een ​​ideale kandidaat maken voor een magnetisch geheugenapparaat met flexibele lees-/schrijfopties.

Een andere mogelijke toepassing is in quantum computing, zeggen de onderzoekers. Een interface tussen een ferromagneet en een supergeleider is voorgesteld als een potentiële bouwsteen voor kwantumcomputers. Het probleem is echter dat zo'n interface moeilijk te maken is omdat magneten over het algemeen destructief zijn voor supergeleiding. Maar een materiaal dat in staat is tot zowel ferromagnetisme als supergeleiding, zou een manier kunnen zijn om die interface te creëren.

"We werken aan het gebruik van de atomaire interface om tegelijkertijd supergeleiding en ferromagnetisme te stabiliseren," zei Li. "Het naast elkaar bestaan ​​van deze twee verschijnselen is zeldzaam in de natuurkunde, en het zal zeker meer opwinding opleveren." + Verder verkennen

De puzzels van grafeen supergeleiding oplossen