Скручивание графена открывает редкую форму магнетизма
С момента открытия графена более 15 лет назад исследователи продолжают раскрывать его уникальные свойства. Графен — лист углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке, не только самый прочный и тонкий материал, известный человеку, но и превосходный проводник тепла и электричества.
Теперь группа ученых из Колумбийского и Вашингтонского университетов обнаружила, что в трехслойной структуре графена могут возникать различные экзотические электронные состояния, включая редкую форму магнетизма. Результаты исследования приводятся в статье, опубликованной 12 октября в журнале Nature Physics.
Работа была вдохновлена недавними исследованиями скрученных монослоев или скрученных бислоев графена, состоящих либо из двух, либо из четырех полных листов. Было обнаружено, что эти материалы содержат множество необычных электронных состояний, обусловленных сильными взаимодействиями между электронами.
«Мы задавались вопросом, что произойдет, если мы объединим монослои и бислои графена в скрученную трехслойную систему», — сказал Кори Дин, профессор физики Колумбийского университета и один из авторов статьи.
«Мы обнаружили, что изменение количества слоев графена наделяет эти композитные материалы некоторыми захватывающими новыми свойствами, которые ранее не были замечены.»
Чтобы провести свой эксперимент, ученые сложили монослойный лист графена на двухслойный лист и скрутили их примерно на 1 градус. При температурах на несколько градусов выше абсолютного нуля ученые наблюдали массив изолирующих состояний, которые не проводят электричество, вызванные сильными взаимодействиями между электронами. Они также обнаружили, что этими состояниями можно управлять, прикладывая электрическое поле к листам графена.
Когда исследователи направили электрическое поле на монослойный графеновый лист, система напоминала скрученный двухслойный графен.
Но когда они изменили направление электрического поля и направили его на двухслойный графеновый лист, он имитировал скрученный двойной двухслойный графен — четырехслойную структуру.
Исследователи также обнаружили новые магнитные состояния в системе. В отличие от обычных магнитов, которые приводятся в движение квантово-механическим свойством электронов, называемым «спином», коллективное вихревое движение электронов в трехслойной структуре лежит в основе магнетизма.
Эта форма магнетизма была недавно открыта другими исследователями в различных структурах графена, покоящихся на кристаллах нитрида бора. Теперь было продемонстрировано, что это можно наблюдать и в более простой системе, построенной полностью из графена.
— Чистый углерод не является магнитным,- говорят исследователи. «Замечательно, что мы можем спроектировать это свойство, расположив наши три графеновых листа под правильными углами скручивания.»
Помимо магнетизма, исследование выявило признаки топологии в структуре. Подобно завязыванию различных типов узлов в веревке, топологические свойства материала могут привести к новым формам хранения информации, которые могут стать платформой для квантовых вычислений или новыми типами энергоэффективных приложений для хранения данных.
На данный момент ученые работают над экспериментами для дальнейшего понимания фундаментальных свойств новых состояний.
Electrically tunable correlated and topological states in twisted monolayer–bilayer graphene, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-01062-6