Door grafeen te stapelen en te draaien, wordt een zeldzame vorm van magnetisme ontgrendeld

Sinds de ontdekking van grafeen meer dan 15 jaar geleden, hebben onderzoekers een wereldwijde race gevoerd om de unieke eigenschappen ervan te ontsluiten. Grafeen is niet alleen – een koolstofvel van één atoom dik in een hexagonaal rooster – het sterkste, dunste materiaal dat de mens kent, het is ook een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit.

Nu heeft een team van onderzoekers van Columbia University en de University of Washington ontdekt dat een verscheidenheid aan exotische elektronische toestanden, waaronder een zeldzame vorm van magnetisme, kan ontstaan ​​in een drielagige grafeenstructuur.

De bevindingen verschijnen in een artikel dat op 12 oktober is gepubliceerd Natuurfysica.

Het werk is geïnspireerd op recente studies van gedraaide monolagen of gedraaide dubbellaagse grafeen, bestaande uit twee of vier totale vellen. Deze materialen bleken een reeks ongebruikelijke elektronische toestanden te bevatten die worden aangedreven door sterke interacties tussen elektronen.

“We vroegen ons af wat er zou gebeuren als we grafeenmonolagen en dubbellagen zouden combineren tot een verwrongen drielaags systeem”, zegt Cory Dean, een professor in de natuurkunde aan Columbia University en een van de senior auteurs van het artikel. “We ontdekten dat het variëren van het aantal grafeenlagen deze composietmaterialen een aantal opwindende nieuwe eigenschappen geeft die nog niet eerder waren gezien.”

Naast Dean zijn assistent-professor Matthew Yankowitz en professor Xiaodong Xu, beide van de afdelingen natuurkunde en materiaalkunde en engineering aan de Universiteit van Washington, senior auteurs van het werk. Shaowen Chen, afgestudeerde student aan Columbia en Minhao He, student aan de Universiteit van Washington, zijn de co-hoofdauteurs van de paper.

Om hun experiment uit te voeren, stapelden de onderzoekers een enkellagig vel grafeen op een dubbellaagse plaat en verdraaiden ze ongeveer 1 graad. Bij temperaturen van enkele graden boven het absolute nulpunt observeerde het team een ​​reeks isolerende toestanden – die geen elektriciteit geleiden – aangedreven door sterke interacties tussen elektronen. Ze ontdekten ook dat deze toestanden konden worden gecontroleerd door een elektrisch veld over de grafeenplaten aan te leggen.

“We hebben geleerd dat de richting van een toegepast elektrisch veld er veel toe doet”, zegt Yankowitz, die ook een voormalig postdoctoraal onderzoeker is in de groep van Dean.

Toen de onderzoekers het elektrische veld naar de enkellagige grafeenplaat richtten, leek het systeem op gedraaid dubbellaaggrafeen. Maar toen ze de richting van het elektrische veld omdraaiden en het naar de dubbellaagse grafeenplaat richtten, bootste het gedraaide dubbele dubbellaagse grafeen na – de vierlaagse structuur.

Het team ontdekte ook nieuwe magnetische toestanden in het systeem. In tegenstelling tot conventionele magneten, die worden aangedreven door een kwantummechanische eigenschap van elektronen die “spin” wordt genoemd, ligt een collectieve wervelende beweging van de elektronen in de drielagige structuur van het team ten grondslag aan het magnetisme, observeerden ze.

Deze vorm van magnetisme is onlangs door andere onderzoekers ontdekt in verschillende structuren van grafeen die rusten op kristallen van boornitride. Het team heeft nu aangetoond dat het ook kan worden waargenomen in een eenvoudiger systeem dat volledig is opgebouwd uit grafeen.

“Pure koolstof is niet magnetisch”, zei Yankowitz. “Het is opmerkelijk dat we deze eigenschap kunnen ontwikkelen door onze drie grafeenvellen in precies de juiste draaihoeken te plaatsen.”

Naast het magnetisme ontdekte de studie tekenen van topologie in de structuur. Net als het knopen van verschillende soorten knopen in een touw, kunnen de topologische eigenschappen van het materiaal leiden tot nieuwe vormen van informatieopslag, wat “een platform kan zijn voor kwantumberekeningen of nieuwe soorten energie-efficiënte data-opslagtoepassingen”, zei Xu.

Voorlopig werken ze aan experimenten om de fundamentele eigenschappen van de nieuwe staten die ze op dit platform hebben ontdekt, beter te begrijpen. “Dit is eigenlijk pas het begin”, zei Yankowitz.