ねじれたグラフェンが異常な磁石に変わった

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ねじれたグラフェンが異常な磁石に変わった
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Anonim
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窒化ホウ素のシートの間に挟まれたねじれた2層グラフェンを用いた実験では、物質の磁気状態への遷移を観察することができました。この特性は、異常なホール効果と磁気ヒステリシスの存在によって確認されました。この場合、まれな現象がこれの原因です-軌道強磁性、科学者はジャーナルScienceに書いています。

グラフェンは、六角形の構造を持つ平らな結晶である純炭素の同素体修飾の1つです。この物質は、一度にいくつかのカテゴリーで記録破りまたはエキゾチックな特性を持っているため、基本的な物理的特性と技術への適用性の両方の観点から活発に研究されています。

数年前、物理学者は、2層グラフェンでは、層が相互に「マジック角」だけ回転すると、超伝導が発生することを発見しました。この発見は、カールしたグラフェンとその特性への関心の復活を引き起こしました。物理的な観点から、この現象は主に超格子の出現、つまり、異なる層からのグラフェンの六角形のセルが互いに厳密に重なり合っているノードで繰り返されるモアレパターンに関連しています。一致しません。

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ねじれた二層グラフェンの構造。超格子のモアレパターンが見られ、その周期はグラフェン自体の結晶格子の周期よりも大幅に長くなっています。

スタンフォード大学のDavidGoldhaber-Gordonが率いる日米の物理学者は、もともと2層グラフェンの超伝導について別のグループが以前に得た結果を再現することを目的としていましたが、根本的に新しい現象を発見しました。電子エネルギーバンドの特定のレベルの充填で、強力なホール効果が観察されたことが判明しました-電流が物質を通過したときの横方向の電位差の出現。通常、この効果は外部磁場の存在下で発生しますが、この場合、電位差はそれなしで発生しました。科学者たちは異常なホール効果を扱っていたことがわかり、磁場は材料自体に固有のものであり、その強磁性の性質はヒステリシスの観察によって確認されました。

通常の単層グラフェンは、線形電子分散則、つまり粒子エネルギーの運動量依存性を特徴としています。さらに、各ユニットセルには、スピンの異なる最大2つの電子を含めることができます。しかし、ねじれた2層グラフェンでは、粒子が有効なゼロエネルギーを持ち、相互作用せずに移動し、格子サイトが超伝導特性を決定するフラットなエネルギーバンドが発生します。超格子の各ユニットセルには、スピンと軌道の状態が異なるペアを持つ最大4つの電子をすでに含めることができます。

現在、科学者たちは、超格子ゾーンを3/4で埋めることで、磁性が確実に発生することを発見しました。この場合の4分の3の充填は、4つのゾーンのそれぞれが4分の3で満たされていることを意味するのではなく、電子の組織化により、3つのゾーンが完全に満たされ、4番目のゾーンが完全に空になることを保証します。この場合、電子はスピン状態と軌道状態の両方で分極していることがわかり、その結果、実験で記録された強力な異常ホール効果の出現につながります。しかし、このタイプの磁性は非常に珍しいものです。通常の強磁性体(異常なホール効果が特徴的ではない)では、電子のスピンだけが束縛され、この場合、まれなタイプの軌道強磁性が記録されたからです。

追加の研究では、材料特性のこのような大きな変化は、製造技術のわずか2つの小さな違いの結果であることが示されています。まず、著者らは、グラフェン層の1つだけでなく、外側からそれに付着した窒化ホウ素層も展開しました。次に、わずかに大きいねじれ角が選択されました-1、1ではなく1、2度。

著者らは、グラフェンは以前は磁性を帯びていましたが、それ以前は、不均一性が含まれているか、磁性材料でできた基板との強い相互作用が存在するためにこれが達成されていましたが、新しい研究ではそうではありません。また、このようなグラフェンによって生成される磁場は非常に小さいにもかかわらず、小さな磁場は磁気ビットの非常に密な配置の可能性を意味するため、たとえば情報記録の分野での用途を見つけることができます。お互いに影響します。

以前、科学者は環境に害を与えることなく酸化グラフェンを得る方法を学び、3層グラフェンの調整可能な超伝導を発見し、液体金属への堆積によってグラフェン単結晶の成長を加速し、その製造コストを数百削減することを提案しましたユーカリ樹皮を使用する時間の。

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