Magnetische Überraschung in „Magic Angle“-Graphen enthüllt

Wenn zwei Graphenschichten mit einer Kohlenstoffnanoröhre in einem bestimmten Winkel zueinander gestapelt werden, entsteht eine ziemlich coole Physik. Kühlt man beispielsweise sogenanntes „Magic Angle Graphen“ auf nahe den absoluten Nullpunkt, wird es plötzlich zum Supraleiter, das heißt, es leitet Strom ohne Widerstand.

Nun hat ein Forschungsteam der Brown University ein überraschendes neues Phänomen entdeckt, das in Graphen mit magischem Winkel auftreten kann. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Wissenschaft, zeigte das Team, dass durch die Induktion eines Phänomens bekannt als Spin-Bahn-Kopplung, wird Graphen mit magischem Winkel zu einem starken Ferromagneten.

„Magnetismus und Supraleitung befinden sich in der Physik der kondensierten Materie normalerweise an entgegengesetzten Enden des Spektrums, und es kommt selten vor, dass sie in derselben materiellen Plattform auftreten“, sagte Jia Li, außerordentlicher Professor für Physik bei Brown und leitender Autor des Artikels. „Wir haben jedoch gezeigt, dass wir Magnetismus in einem System erzeugen können, das ursprünglich Supraleitung beherbergt. Dies gibt uns eine neue Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Supraleitung und Magnetismus zu untersuchen, und bietet aufregende neue Möglichkeiten für die quantenwissenschaftliche Forschung.“

Magic-Angle-Graphen hat in den letzten Jahren in der Physik für Aufsehen gesorgt. Graphen ist ein zweidimensionales Material aus Kohlenstoffatome In einem Wabenmuster angeordnet. Einzelne Graphenschichten sind an sich schon interessant – sie zeigen die bemerkenswerte Festigkeit des Materials und die sehr effiziente elektrische Leitfähigkeit. Aber noch spannender wird es, wenn Graphenplatten gestapelt werden. Elektronen beginnen nicht nur mit anderen Elektronen innerhalb der Graphenschicht zu interagieren, sondern auch mit denen in der angrenzenden Schicht. Eine Veränderung des Winkels der Platten zueinander verändert diese Wechselwirkungen und führt zu interessanten Quantenphänomenen wie der Supraleitung.

Diese neue Forschung fügt diesem bereits interessanten System eine neue Falte – die Spin-Bahn-Kopplung – hinzu. Spin-Bahn-Kopplung ist ein Zustand des Elektronenverhaltens in bestimmten Materialien, in dem jedes Elektron – sein kleines magnetisches Moment, das entweder nach oben oder nach unten zeigt – mit seiner Bahn um den Atomkern in Beziehung steht.

„Wir wissen, dass die Spin-Spin-Kopplung zu einer Vielzahl interessanter Quantenphänomene führt, aber in Graphen mit magischem Winkel ist sie normalerweise nicht vorhanden“, sagte Jiang Xiazi Lin, Postdoktorand bei Brown und Hauptautor der Studie. „Wir wollten die Spin-Bahn-Kopplung einführen und dann sehen, welche Auswirkungen sie auf das System hat.“

Zu diesem Zweck haben Lee und sein Team Graphen mit magischem Winkel mit einem Block aus Wolframdiselenid verbunden, einem Material mit starker Spin-Bahn-Kopplung. Eine genaue Stapelausrichtung führt zu einer Spin-Bahn-Kopplung in Graphen. Von dort aus überprüfte das Team das System mit externen elektrischen Strömen und Magnetfeldern.

Experimente haben gezeigt, dass ein elektrischer Strom in einer Richtung durch das Material fließt, wenn ein externes Magnetfeld vorhanden ist, das eine Spannung in der Richtung senkrecht zum Strom erzeugt. Diese als Hall-Effekt bekannte Spannung ist ein verräterisches Signal für ein intrinsisches Magnetfeld im Material.

Zur Überraschung des Forscherteams zeigten sie, dass der magnetische Zustand mit einem externen Magnetfeld gesteuert werden kann, das entweder in der Graphenebene oder außerhalb der Ebene orientiert ist. Dies steht im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien ohne Spin-Bahn-Kopplung, bei denen der intrinsische Magnetismus nur kontrolliert werden kann, wenn das externe Magnetfeld entlang der Magnetisierungsrichtung ausgerichtet ist.

Yahui Zhang, ein theoretischer Physiker von der Harvard University, der mit Browns Team zusammengearbeitet hat, um die mit dem beobachteten Magnetismus verbundene Physik zu verstehen.

„Der einzigartige Effekt der Spin-Bahn-Kopplung gibt Wissenschaftlern einen neuen experimentellen Ansatz, um das Verhalten von Graphen mit magischem Winkel zu verstehen“, sagte Erin Morissette, eine Doktorandin an der Brown University, die einen Teil der experimentellen Arbeiten durchgeführt hat. „Die Ergebnisse haben auch Potenzial für neue Hardware-Anwendungen.“

Eine der möglichen Anwendungen befindet sich im Arbeitsspeicher des Computers. Das Team fand heraus, dass die magnetischen Eigenschaften des magischen Winkels Graphen Sie können sowohl durch externe Magnetfelder als auch durch elektrische Felder gesteuert werden. Dies würde dieses 2D-System zu einem idealen Kandidaten für eine magnetische Speichervorrichtung mit flexiblen Lese-/Schreiboptionen machen.

Den Forschern zufolge gibt es eine weitere potenzielle Anwendung im Quantencomputing. Als potenzieller Baustein für Quantencomputer wurde eine Schnittstelle zwischen einem Ferromagneten und einem Supraleiter vorgeschlagen. Das Problem besteht jedoch darin, dass eine solche Grenzfläche schwierig zu erzeugen ist, da Magnete im Allgemeinen die Supraleitfähigkeit zerstören. Aber eine Substanz, die beides kann Ferromagnetismus Und Supraleitung könnte eine Möglichkeit bieten, diese Schnittstelle zu schaffen.

„Wir arbeiten daran, die atomare Schnittstelle zu nutzen, um Stabilität zu erreichen Supraleitung Lee sagte: „Und gleichzeitig Ferromagnetismus. Die Koexistenz dieser beiden Phänomene ist in der Physik selten und wird sicherlich noch mehr Aufregung auslösen.“