Nowa karta na rękawie grafenowym

Zatem grafen, który ma największą ruchliwość materiału w temperaturze pokojowej, był obiecującym celem. Ruch elektronu nie jest wystarczający do uzyskania znacznego oporu magnetycznego, mówi główny autor Alexey Berdyugin z National University of Singapore. W większości warunków grafen ma mały opór magnetyczny, ponieważ zachowuje się jak metal, w którym prąd jest przenoszony przez jeden typ nośnika – elektrony. Wiadomo, że w metalu opór ferromagnetyczny jest szybko nasycany przez pole magnetyczne: wzrost natężenia pola nie ma większego wpływu na rezystywność.

Aby uniknąć tego nasycenia, Berdiogen, Jim i ich współpracownicy doprowadzili grafen do stanu „metalicznego”, w którym pasma przewodnictwa i walencyjne „stykają się” ze sobą. W półmetalu prąd jest przenoszony – w skończonej temperaturze – przez ładunki dodatnie (dziury) i ładunki ujemne (elektrony) – stan znany jako „punkt neutralności ładunku”. W przypadku dwóch nośników o przeciwnej polaryzacji zmiany rezystancji indukowane przez pole magnetyczne nie są równe, ale zachowują skalę z kwadratem natężenia pola. „Zdaliśmy sobie sprawę, że grafen może spełnić wszystkie wymagania w temperaturze pokojowej” – mówi Berdyugin.

Używając wysokiej jakości arkusza grafenu i stosując potencjał elektryczny do kontrolowania położenia domen walencyjnych i przewodzących, Berdyugen, Jem i współpracownicy byli w stanie umieścić swoje urządzenie w punkcie neutralnym pod względem ładunku. Gdy zastosowali stosunkowo małe pole magnetyczne o natężeniu 100 mt, zmierzyli magnetoopór sięgający 100%, co stanowi 100-krotną poprawę w stosunku do wewnętrznego magnetooporu występującego w jakimkolwiek znanym materiale.

„Grafen wciąż zaskakuje!” mówi Frank Coppens, fizyk doświadczalny w Instytucie Nauk Fotonicznych w Hiszpanii. Mówi, że niezwykłe zachowanie jest interesujące zarówno z praktycznego, jak i podstawowego punktu widzenia. Efekt ten może prowadzić do bardzo czułych czujników magnetycznych, mówi Philip Kim, badacz materii skondensowanej na Uniwersytecie Harvarda.

Berdiogen zauważa, że ​​opór magnetyczny grafenu jest nieco mniejszy niż opór magnetyczny urządzeń stosowanych obecnie w komputerach. (Magneorezystancja tych urządzeń nie jest „wewnętrzną” właściwością fizyczną, ale właściwością „zewnętrzną”, która wynika z tunelowania rotacji między warstwami różnych materiałów). Grafen może jednak nadal działać w temperaturach znacznie wyższych niż te w urządzeniach, co może umożliwić unikalne zastosowania, mówi.

Naukowcy zbadali również reakcję materiałów na zwiększenie pola magnetycznego. Kiedy pole osiągnęło skalę 1-T, odkryli, że kwadratowa miara oporu ustąpiła miejsca skali liniowej. Berdyugin mówi, że potrzeba więcej pracy, aby opracować mikroskopową teorię tego zjawiska, ale przejście od skalowania kwadratowego do liniowego wskazuje na przejście do egzotycznego reżimu przewodnictwa kwantowego. W układzie tym orbity naładowanych cząstek są skwantowane w polu magnetycznym i wszystkie cząstki jednocześnie zajmują zerowy poziom energetyczny tych stanów kwantowych.

Berdyugin dodaje, że ten system „kwantowo-kwantowo-metaliczny” ma wiele podobieństw do egzotycznych metali, klasy materiałów, które są nadprzewodzące w niższych temperaturach i metaliczne w wyższych temperaturach i których zachowanie przeczy konwencjonalnym teoriom przewodzenia. W obu układach magnetoopór skaluje się liniowo wraz z przyłożonym polem i rozpraszaniem elektronów Plancka – co oznacza, że ​​skala czasowa rozpraszania jest ograniczona jedynie zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Berdyugin mówi, że układ kwantowy grafenu może służyć jako system modelowy do badania fizyki związanej z egzotycznymi metalami. Kim zgadza się. „Podobieństwo do egzotycznych minerałów jest bardzo prawdopodobne”.

– Mateusz Rennie

Redaktorem jest Mathieu Reni Dziennik fizyki.

Ostatnie Artykuły

Więcej artykułów