Магнітний сюрприз виявлений у графені «магічний кут».

Коли два аркуші вуглецевих наночастинок графену покладені разом під певним кутом один щодо одного, це створює досить круту фізику. Наприклад, коли так званий «графен магічного кута» охолоджується майже до абсолютного нуля, він раптом стає надпровідником, тобто проводить електрику без опору.

Тепер дослідницька група з Університету Брауна виявила дивовижне нове явище, яке може виникнути в графені з магічним кутом. У дослідженні, опублікованому в журналі наук, команда показала, що, викликавши явище, відоме як спін-орбітальна зв’язок, магічний кут графену стає потужним феромагнетиком.

«Магнитизм і надпровідність зазвичай знаходяться на протилежних кінцях спектра у фізиці конденсованої речовини, і рідко вони з’являються на одній матеріальній платформі», — сказав Цзя Лі, доцент фізики Брауна і старший автор статті. «Однак ми показали, що ми можемо створити магнетизм у системі, яка спочатку містить надпровідність. Це дає нам новий спосіб вивчення взаємодії між надпровідністю та магнетизмом і відкриває нові захоплюючі можливості для дослідження квантової науки».

За останні роки графен із магічним кутом викликав неабиякий резонанс у фізиці. Графен – це двовимірний матеріал, з якого виготовлено атоми вуглецю Розташовані у вигляді стільникового візерунка. Поодинокі листи графену цікаві самі по собі – демонструють чудову міцність матеріалу та дуже ефективну електропровідність. Але все стає ще більш захоплюючим, коли графенові листи складаються один з одним. Електрони починають взаємодіяти не тільки з іншими електронами всередині графенового листа, а й з електронами сусіднього листа. Зміна кута пластин один щодо одного змінює ці взаємодії, викликаючи цікаві квантові явища, такі як надпровідність.

Це нове дослідження додає нову складку – спін-орбітальну зв’язку – до цієї вже цікавої системи. Спін-орбітальне сполучення — це стан поведінки електрона в певних матеріалах, у якому кожен електрон — його малий магнітний момент, спрямований вгору або вниз — пов’язаний зі своєю орбітою навколо атомного ядра.

«Ми знаємо, що спін-спінова зв’язок породжує широкий спектр цікавих квантових явищ, але зазвичай вона не присутня в графені з магічним кутом», — сказав Цзян Сязі Лін, докторант Брауна та провідний автор дослідження. «Ми хотіли запровадити спін-орбітальний зв’язок, а потім побачити, який вплив це має на систему».

Для цього Лі та його команда зв’язали графен із магічним кутом до блоку диселеніду вольфраму, матеріалу, який має сильне спін-орбітальне зв’язок. Точне вирівнювання стека призводить до спін-орбітального зв’язку в графені. Звідти команда перевірила систему зовнішніми електричними струмами та магнітними полями.

Експерименти показали, що електричний струм, що протікає в одному напрямку через матеріал у присутності зовнішнього магнітного поля, створює напругу в напрямку, перпендикулярному до струму. Ця напруга, відома як ефект Холла, є сигнальним сигналом внутрішнього магнітного поля в матеріалі.

На подив дослідницької групи, вони показали, що магнітним станом можна керувати за допомогою зовнішнього магнітного поля, яке орієнтоване або в площині графену, або поза площиною. Це контрастує з феромагнітними матеріалами без спін-орбітального зв’язку, де внутрішнім магнетизмом можна керувати лише тоді, коли зовнішнє магнітне поле вирівняно вздовж напрямку намагніченості.

Яхуї Чанг, фізик-теоретик з Гарвардського університету, який працював з командою Брауна, щоб зрозуміти фізику, пов’язану з спостережуваним магнетизмом.

«Унікальний ефект спін-орбітального зв’язку дає вченим новий експериментальний інструмент, який допоможе зрозуміти поведінку графену з магічним кутом», – сказала Ерін Мориссетт, аспірантка Університету Брауна, яка провела деякі експериментальні роботи. «Результати також мають потенціал для нових апаратних додатків».

Одне з можливих додатків знаходиться в пам’яті комп’ютера. Команда виявила, що магнітні властивості магічного кута графен Ними можна керувати як зовнішніми магнітними полями, так і електричними полями. Це зробить цю 2D-систему ідеальним кандидатом для пристрою магнітної пам’яті з гнучкими параметрами читання/запису.

Дослідники кажуть, що є ще одне потенційне застосування в квантових обчисленнях. Інтерфейс між феромагнетиком і надпровідником був запропонований як потенційний будівельний блок для квантових комп’ютерів. Однак проблема полягає в тому, що такий інтерфейс важко встановити, оскільки магніти, як правило, руйнують надпровідність. Але речовина, здатна на те й інше феромагнетизм І надпровідність може стати способом створення цього інтерфейсу.

«Ми працюємо над використанням атомарного інтерфейсу для досягнення стабільності надпровідність Лі сказав: «І феромагнетизм водночас. Співіснування цих двох явищ рідко зустрічається у фізиці, і це, безсумнівно, викликає більше хвилювання».