В пятислойном графене обнаружено необычное электронное состояние

Кажется, сюрпризам от чудо-материала — графена — нет конца. Физики Массачусетского технологического института теперь обнаружили еще одно совершенно новое электронное состояние, скрывающееся в этом материале, которому они дали причудливое название «ferro-valleytricity» (ферро-долинная плотность).

Графен — это, по сути, просто сверхтонкий лист обычного графита — настолько тонкий, что его толщина составляет всего один атом.

Но, несмотря на столь скромное начало, графен сверхпрочный, сверхпроводящий, гибкий и готов произвести революцию во всем: от электроники до одежды и аэрокосмической техники. Когда вы начинаете складывать листы стопкой и даже скручивать их под определенными углами, появляются другие замечательные способности, такие как магнетизм или сверхпроводимость.

В новом исследовании команда физиков Массачусетского технологического института обнаружила еще одно — «мультиферроическое поведение», которое редко встречается в материальном мире.

Ферроик — это материал, частицы которого ведут себя скоординировано: например, в магните все его электроны направляют свои спины в одном направлении даже без внешнего магнитного поля. Мультиферроики — это материалы, которые демонстрируют более чем одно скоординированное поведение — скажем, если магнетизм направлен в одном направлении, а его электрический заряд — в другом.

Исследователи подсчитали, что при очень специфических обстоятельствах графен должен стать мультиферроиком. Теоретически это должно происходить только тогда, когда пять листов графена уложены друг на друга, причем каждый слой слегка смещен так, что трехмерное целое образует форму ромба.

«В пяти слоях электроны находятся в решетчатой ​​среде, где они движутся очень медленно, поэтому они могут эффективно взаимодействовать с другими электронами», — сказал Лун Цзюй, ведущий автор исследования. «Именно тогда эффекты электронной корреляции начинают доминировать, и они могут начать координироваться в определенные предпочтительные ферроидные порядки».

Затем ученые приступили к подтверждению теории на практике, срезав пластинки графена с блока графита и проверив их с помощью мощных микроскопов, чтобы найти те, которые естественным образом имели желаемую форму ромба. Некоторые из них были затем изолированы и изучены при температурах чуть выше абсолютного нуля, где другие эффекты будут уменьшены, и проявятся только те, которые они ищут.

И действительно, команда обнаружила, что электроны в этих особых пластинках одинаково реагировали на электрическое поле в одном направлении и на магнитное поле в другом, подтверждая мультиферроическое поведение. Но даже такое поведение по отдельности было необычным — магнетизм возник в результате координации орбитального движения электронов, а не их вращения.

И электронное поведение возникло из-за того, что электроны предпочтительно располагались в одной «долине» — или состоянии с наименьшей энергией — а не в равной степени в двух доступных им долинах. Таким образом, команда назвала странное электронное состояние «ферро-долинная плотность» (ферро-валлейтричность).

«Мы знали, что в этой структуре произойдет что-то интересное, но не знали точно, что именно, пока не протестировали это», — сказал Чжэнгуан Лу, соавтор исследования. «Мы впервые увидели ферро-долинную плотность, а также впервые увидели ее сосуществование с нетрадиционным ферромагнетиком».

Исследователи говорят, что это странное поведение в конечном итоге может быть использовано для эффективного увеличения емкости хранения данных.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.