Natuurkundigen creëren het eerste tweedimensionale ferrimagnetisme in grafeen

Wetenschappers van de St. Petersburg University hebben samen met hun buitenlandse collega’s ’s werelds eerste tweedimensionale ferromagnetisme in grafeen gecreëerd. Het gebruik van de verkregen magnetische toestand van grafeen kan de basis worden van een nieuwe benadering van elektronica, waardoor de energie-efficiëntie en snelheid worden verhoogd bij het ontwikkelen van apparaten die gebruikmaken van alternatieve technologieën zonder het gebruik van silicium.

Grafeen, een tweedimensionale modificatie van koolstof, is het lichtste en sterkste van alle tweedimensionale materialen die tegenwoordig beschikbaar zijn, en is ook zeer geleidend. In 2018 waren onderzoekers van St. Petersburg University, samen met hun collega’s van Tomsk State University en Duitse en Spaanse wetenschappers de eersten ter wereld die grafeen modificeerden en het de eigenschappen van kobalt en goud gaven – magnetisme en spin-baaninteractie (tussen het bewegende elektron in grafeen en zijn eigen magnetische moment). Bij interactie met kobalt en goud behoudt grafeen niet alleen zijn unieke eigenschappen, maar neemt het ook gedeeltelijk de eigenschappen van deze metalen over.

Als onderdeel van het nieuwe werk synthetiseerden de wetenschappers een systeem met een ferrimagnetische toestand van grafeen. Het is een unieke toestand waarin de stof magnetisatie heeft in afwezigheid van een extern magnetisch veld. De natuurkundigen gebruikten een soortgelijk substraat gemaakt van een dunne laag kobalt en een legering van goud op het oppervlak.

Tijdens het legeren van het oppervlak werden dislocatielussen gevormd onder grafeen. Deze lussen zijn driehoekige gebieden met een lagere dichtheid van kobaltatomen waar de goudatomen dichterbij zijn gekomen. Tot nu toe was bekend dat enkellaags grafeen alleen op een uniforme manier volledig gemagnetiseerd kon worden. Studies door de wetenschappers van de St. Petersburg University hebben echter aangetoond dat het mogelijk is om de magnetisatie van de atomen van individuele subroosters te beheersen door selectieve interactie met de structurele defecten van het substraat.

“Dit is een belangrijke ontdekking, aangezien alle elektronische apparaten elektrische ladingen gebruiken en warmte genereren wanneer er stroom vloeit. Ons onderzoek zal het uiteindelijk mogelijk maken dat informatie wordt overgedragen in de vorm van spinstromen. Dit is een nieuwe generatie elektronica, een fundamenteel andere logica en een nieuwe benadering van technologische ontwikkeling die het stroomverbruik vermindert en de snelheid van informatieoverdracht verhoogt”, legt Artem Rybkin, hoofdonderzoeker van het onderzoek, Leading Research Associate in het Laboratory of Electronic and Spin Structure of Nanosystems aan de St. Petersburg University uit.

Het tweede belangrijke kenmerk van het grafeen dat door de natuurkundigen van de Universiteit van St. Petersburg is gesynthetiseerd, is de sterke spin-orbit-interactie. In deze structuur wordt de versterking van deze interactie verklaard door de aanwezigheid van goudatomen onder grafeen. Bij een bepaalde verhouding van de magnetische en spin-baan-interactieparameters is het mogelijk om van de triviale, dat wil zeggen bekende, toestand van grafeen naar een nieuwe, topologische toestand te gaan.

De bevindingen van het onderzoek worden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.