Een magnetische draai aan grafeen

Elektronen in materialen hebben een eigenschap die bekend staat als ‘spin’, die verantwoordelijk is voor een verscheidenheid aan eigenschappen, waarvan magnetisme de bekendste is. Bij permanente magneten, zoals die worden gebruikt voor koelkastdeuren, zijn alle spins in hun elektronen uitgelijnd. In dezelfde richting.Wetenschappers noemen dit gedrag ferromagnetisme en het onderzoeksveld van het manipuleren van spin als spintronica.

Beneden in de kwantumwereld kunnen spins op meer exotische manieren worden gerangschikt, waardoor gefrustreerde toestanden en verstrengelde magneten ontstaan. Interessant is dat een eigenschap die lijkt op spin, bekend als “de vallei”, voorkomt in grafeenmaterialen. Deze unieke eigenschap heeft geleid tot het gebied van de valleytronics, dat tot doel heeft de eigenschap van de vallei te exploiteren voor opkomende fysica en informatieverwerking, net zoals spintronica vertrouwt op pure spinfysica.

“Valleytronics zou het mogelijk maken om informatie in de kwantumvallei vrijheidsgraad te coderen, vergelijkbaar met hoe elektronica het doet met lading en spintronica met de spin.” Legt professor Jose Lado uit, van de afdeling toegepaste fysica van Aalto, en een van de auteurs van het werk. “Bovendien zouden valleytronic-apparaten een dramatische toename van de verwerkingssnelheden bieden in vergelijking met elektronica, en met een veel hogere stabiliteit ten opzichte van magnetische veldruis in vergelijking met spintronische apparaten.”

Constructies gemaakt van geroteerde, ultradunne materialen bieden een rijk solid-state platform voor het ontwerpen van nieuwe apparaten. In het bijzonder is onlangs aangetoond dat licht gedraaide grafeenlagen opwindende onconventionele eigenschappen hebben, die uiteindelijk kunnen leiden tot een nieuwe familie van materialen voor kwantumtechnologieën. Deze onconventionele toestanden die al worden onderzocht, zijn afhankelijk van elektrische lading of spin. De open vraag is of de vallei ook kan leiden tot zijn eigen familie van opwindende staten.

Materialen maken voor valleytronics

Voor dit doel blijkt dat conventionele ferromagneten een cruciale rol spelen en grafeen naar de rijken van de valleifysica duwen. In een recent werk, Ph.D. student Tobias Wolf, samen met Profs. Oded Zilberberg en Gianni Blatter aan de ETH Zürich, en prof. Jose Lado aan de Aalto University, toonden een nieuwe richting aan voor gecorreleerde fysica in magnetische van der Waals-materialen.

Het team toonde aan dat het klemmen van twee lichtjes gedraaide lagen grafeen tussen een ferromagnetische isolator een unieke setting biedt voor nieuwe elektronische toestanden. De combinatie van ferromagneten, de twisttechniek van grafeen en relativistische effecten dwingen de “vallei” -eigenschap om het gedrag van elektronen in het materiaal te domineren. In het bijzonder lieten de onderzoekers zien hoe deze alleen-valleistoestanden elektrisch kunnen worden afgestemd, waardoor een materiaalplatform ontstaat waarin alleen-valleistoestanden kunnen worden gegenereerd. Voortbouwend op de recente doorbraak in spintronica en van der Waals-materialen, opent valleifysica in magnetisch gedraaide van der Waals-meerlagen de deur naar het nieuwe rijk van gecorreleerde gedraaide valleytronics.

“Het demonstreren van deze staten vormt het startpunt naar nieuwe exotische, verstrengelde valleistaten.” Professor Lado zei: “Uiteindelijk kan de engineering van deze valleistoestanden het mogelijk maken kwantumverstrengelde valleivloeistoffen en fractionele kwantumvallei Hall-toestanden te realiseren. Deze twee exotische toestanden van materie zijn nog niet in de natuur gevonden en zouden opwindende mogelijkheden openen voor een potentieel nieuw grafeen. gebaseerd platform voor topologische quantum computing. “

Het artikel “Spontane dalspiralen in magnetisch ingekapselde gedraaide dubbellaagse grafeen” wordt gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven.