Скрученный графен превратили в аномальный магнит

В экспериментах с зажатым между листами нитрида бора скрученным двухслойным графеном удалось наблюдать переход вещества в магнитное состояние. Полученное свойство было подтверждено наличием аномального эффекта Холла и магнитного гистерезиса. В данном случае за это отвечает редкое явление — орбитальный ферромагнетизм, пишут ученые в журнале Science.

Графен — это одна из аллотропных модификаций чистого углерода, которая представляет собой плоские кристаллы с шестиугольной структурой. Это вещество обладает рекордными или экзотическими свойствами сразу в нескольких категориях, из-за чего его активно исследуют как с точки зрения фундаментальных физических свойств, так и в плане применимости в технологиях.

Несколько лет назад физики обнаружили, что в двухслойном графене при повороте слоев на «магический угол» друг относительно друга возникает сверхпроводимость. Это открытие вызвало всплеск интереса к скрученному графену и его свойствам. С физической точки зрения это явление в первую очередь связано с возникновением сверхрешетки, то есть повторяющегося узора, в узлах которого шестиугольные ячейки листов графена из разных слоев находятся строго друг над другом, а между которыми — не совпадают.

Физики из США и Японии под руководством Дэвида Гольдхабер-Гордона (David Goldhaber-Gordon) из Стэнфордского университета изначально собирались воспроизвести полученные ранее другой группой результаты о сверхпроводимости двухслойного графена, но обнаружили принципиально новое явление. Оказалось, что при определенном уровне заполнения электронных энергетических зон наблюдался мощный эффект Холла — появление поперечной разности потенциалов при пропускании через вещество тока. Обычно этот эффект возникает в присутствии внешнего магнитного поля, но в этом случае разница потенциалов возникала без него. Получается, что ученые имели дело с аномальным эффектом Холла, а магнитное поле было присуще самому материалу, ферромагнитная природа которого была подтверждена наблюдением гистерезиса.

Обычный однослойный графен характеризуется линейным законом дисперсии электронов, то есть зависимостью энергии частиц от импульса. При этом каждая элементарная ячейка может содержать до двух электронов с разными спинами. Однако в скрученном двухслойном графене возникает плоская энергетическая зона, в которой частицы обладают эффективной нулевой энергией, движутся без взаимодействия друг с другом и узлами решетки, что и определят сверхпроводящие свойства.

Каждая элементарная ячейка сверхрешетки может содержать уже до четырех электронов с парами разных спиновых и орбитальных состояний.

Теперь ученые выяснили, что заполнение зоны сверхрешетки на 3/4 обеспечивает возникновение магнетизма. Заполнение на три четверти в данном случае означает не то, что каждая из четырех зон заполнена на три четверти, а что организация электронов обеспечивает полное заполнение трех зон, оставляя четвертую полностью пустой. В таком случае электроны оказываются поляризованы как по спиновым, так и по орбитальным состояниям, что в результате приводит к возникновению мощного аномального эффекта Холла, что и было зафиксировано в экспериментах. Однако такой вид магнетизма весьма необычен, ведь в обычных ферромагнетиках (для которых не характерен аномальный эффект Холла) связанными являются только спины электронов, а в данном случае был зафиксирован редкий тип орбитального ферромагнетизма.

Дополнительные исследования показали, что такие большие изменения в свойствах вещества стали результатом всего двух небольших отличий в технологии изготовления. Во-первых, авторы развернули не только один из слоев графена, но и прикрепленный к нему с внешней стороны слой нитрида бора. Во-вторых, был выбран слегка больший угол закрутки — 1,2 градуса вместо 1,1.

Авторы отмечают, что графен и раньше делали магнитным, но до этого подобное достигалось за счет включения неоднородностей или наличия сильного взаимодействия с подложкой из магнитного материала, в то время как в новой работе это не так. Также, несмотря на то, что генерируемое таким графеном магнитное поле весьма мало, оно может найти применение, например, в области записи информации, ведь малое поле означает возможность очень плотного расположения магнитных битов, которые не будут влиять друг на друга.

Ранее ученые научились получать оксид графена без вреда для окружающей среды, открыли настраиваемую сверхпроводимость трехслойного графена, ускорили рост монокристаллов графена осаждением на жидкий металл и предложили удешевить его производство в сотни раз при помощи коры эвкалипта.