Keď sú dva listy grafénových uhlíkových nanočastíc naskladané pod určitým uhlom voči sebe, vzniká celkom skvelá fyzika. Napríklad, keď sa takzvaný „magický uhol grafénu“ ochladí takmer na absolútnu nulu, zrazu sa z neho stane supravodič, čo znamená, že vedie elektrinu bez odporu.

Teraz výskumný tím z Brown University objavil prekvapivý nový fenomén, ktorý môže vzniknúť v graféne magického uhla. Vo výskume uverejnenom v časopise Veda, tím ukázal, že vyvolaním javu známeho ako spin-orbitálna väzba, magický uhol grafénu sa stáva silným feromagnetom.

„Magnetizmus a supravodivosť sú zvyčajne na opačných koncoch spektra vo fyzike kondenzovaných látok a je zriedkavé, že sa objavujú na rovnakej materiálovej platforme, “ povedal Jia Li, docent fyziky na Browne a hlavný autor článku. „Ukázali sme však, že môžeme vytvoriť magnetizmus v systéme, ktorý pôvodne hostí supravodivosť. To nám dáva nový spôsob, ako študovať interakciu medzi supravodivosťou a magnetizmom, a poskytuje vzrušujúce nové možnosti pre kvantový vedecký výskum.“

Magický uhol grafénu spôsobil v posledných rokoch veľký rozruch vo fyzike. Grafén je dvojrozmerný materiál vyrobený z atómov uhlíka Usporiadané do voštinového vzoru. Jednotlivé listy grafénu sú zaujímavé samy osebe – zobrazujúce pozoruhodnú silu materiálu a veľmi účinnú elektrickú vodivosť. Ale veci sú ešte vzrušujúcejšie, keď sú grafénové listy naskladané. Elektróny začnú interagovať nielen s inými elektrónmi v grafénovej vrstve, ale aj s elektrónmi v susednej vrstve. Zmena uhla dosiek voči sebe navzájom mení tieto interakcie, čo vedie k zaujímavým kvantovým javom, ako je supravodivosť.

Tento nový výskum pridáva do tohto už zaujímavého systému novú vrásku – spin-orbit coupling. Spin-orbitálna väzba je stavom správania elektrónov v určitých materiáloch, v ktorých každý elektrón – jeho malý magnetický moment smerujúci nahor alebo nadol – súvisí s jeho obežnou dráhou okolo atómového jadra.

„Vieme, že spin-spinová väzba vedie k širokému spektru zaujímavých kvantových javov, ale zvyčajne sa nevyskytuje v graféne magického uhla,“ povedal Jiang Xiazi Lin, postdoktorandský výskumník v Browne a hlavný autor štúdie. „Chceli sme zaviesť spin-orbitálne spojenie a potom zistiť, aký vplyv to má na systém.“

Aby to urobili, Lee a jeho tím pripojili grafén magického uhla k bloku diselenidu volfrámu, materiálu, ktorý má silnú spin-orbitálnu väzbu. Presné zarovnanie stohu vedie k spojeniu spin-orbit v graféne. Odtiaľ tím kontroloval systém vonkajšími elektrickými prúdmi a magnetickými poľami.

Experimenty ukázali, že elektrický prúd tečúci jedným smerom cez materiál v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa vytvára napätie v smere kolmom na prúd. Toto napätie, známe ako Hallov efekt, je signálom vlastného magnetického poľa v materiáli.

Na prekvapenie výskumného tímu ukázali, že magnetický stav je možné ovládať pomocou vonkajšieho magnetického poľa, ktoré je orientované buď v rovine grafénu, alebo mimo rovinu. To kontrastuje s feromagnetickými materiálmi bez spin-orbitálnej väzby, kde je možné vlastný magnetizmus ovládať iba vtedy, keď je vonkajšie magnetické pole zarovnané pozdĺž smeru magnetizácie.

Yahui Chang, teoretický fyzik z Harvardskej univerzity, ktorý spolupracoval s Brownovým tímom na pochopení fyziky spojenej s pozorovaným magnetizmom.

„Jedinečný efekt spojenia spin-orbita dáva vedcom novú experimentálnu rukoväť na posilnenie úsilia pochopiť správanie grafénu magického uhla,“ povedala Erin Morissette, postgraduálna študentka na Brown University, ktorá vykonala niektoré experimentálne práce. „Výsledky majú tiež potenciál pre nové hardvérové ​​aplikácie.“

Jedna z možných aplikácií je v pamäti počítača. Tím zistil, že magnetické vlastnosti magického uhla grafén Môžu byť ovládané vonkajšími magnetickými poľami aj elektrickými poľami. To by z tohto 2D systému urobilo ideálneho kandidáta na magnetické pamäťové zariadenie s flexibilnými možnosťami čítania/zápisu.

Vedci tvrdia, že existuje ďalšia potenciálna aplikácia v kvantovej výpočtovej technike. Rozhranie medzi feromagnetom a supravodičom bolo navrhnuté ako potenciálny stavebný blok pre kvantové počítače. Problémom však je, že takéto rozhranie je ťažké vytvoriť, pretože magnety vo všeobecnosti ničia supravodivosť. Ale látka schopná oboch feromagnetizmus A supravodivosť by mohla poskytnúť spôsob, ako vytvoriť toto rozhranie.

„Pracujeme na použití atómového rozhrania na dosiahnutie stability supravodivosť Lee povedal: „A zároveň feromagnetizmus. Koexistencia týchto dvoch javov je vo fyzike vzácna a určite prinesie viac vzrušenia.“