Uit een vijflaagse grafeensandwich ontstaat een zeldzame elektronische toestand

Gewone potloodstiften hebben buitengewone eigenschappen wanneer ze worden geschoren tot laagjes zo dun als een atoom. Een enkele, atomaire dunne laag grafiet, bekend als grafeen, is slechts een klein deel van de breedte van een mensenhaar. Onder een microscoop lijkt het materiaal op een kippengaas van koolstofatomen die in een hexagonaal rooster met elkaar verbonden zijn.

Ondanks zijn waif-achtige proporties hebben wetenschappers door de jaren heen ontdekt dat grafeen uitzonderlijk sterk is. En wanneer het materiaal in specifieke verdraaiingen wordt gestapeld en gedraaid, kan het verrassend elektronisch gedrag aannemen.

Nu hebben MIT-natuurkundigen een andere verrassende eigenschap in grafeen ontdekt: wanneer grafeen in vijf lagen wordt gestapeld, in een ruitvormig patroon, krijgt het een zeer zeldzame, “multiferroïsch” toestand, waarin het materiaal zowel onconventioneel magnetisme als een exotisch soort elektronisch gedrag vertoont, dat het team ferrovalleytriciteit heeft genoemd.

“Grafeen is een fascinerend materiaal,” zegt teamleider Long Ju, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. “Elke laag die je toevoegt, geeft je in wezen een nieuw materiaal. En nu is dit de eerste keer dat we ferro-valleytriciteit en onconventioneel magnetisme zien in vijf lagen grafeen. Maar we zien deze eigenschap niet in één, twee, drie of vier lagen.”

De ontdekking zou ingenieurs kunnen helpen bij het ontwerpen van gegevensopslagapparaten met ultralaag vermogen en hoge capaciteit voor klassieke en kwantumcomputers.

“Het hebben van multiferroïsche eigenschappen in één materiaal betekent dat, als het energie en tijd zou kunnen besparen bij het schrijven van een magnetische harde schijf, je ook een dubbele hoeveelheid informatie zou kunnen opslaan in vergelijking met conventionele apparaten.” Zegt Ju.

Zijn team rapporteert hun ontdekking in een artikel in Natuur. Tot de co-auteurs van MIT behoren hoofdauteur Tonghang Han, plus Zhengguang Lu, Tianyi Han en Liang Fu; samen met medewerkers van de Harvard Universiteit Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang en Hongkun Park; en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Een voorkeur voor orde

Een ferromateriaal is een materiaal dat een bepaald gecoördineerd gedrag vertoont in zijn elektrische, magnetische of structurele eigenschappen. Een magneet is een bekend voorbeeld van een ferroïsch materiaal: de elektronen kunnen samenwerken om in dezelfde richting te draaien zonder een extern magnetisch veld. Hierdoor wijst de magneet spontaan naar een voorkeursrichting in de ruimte.

Andere materialen kunnen op verschillende manieren ijzerhoudend zijn. Maar slechts een handjevol is multiferroïsch gebleken: een zeldzame toestand waarin meerdere eigenschappen kunnen coördineren om meerdere voorkeurstoestanden te vertonen. Bij conventionele multiferroics zou het zijn alsof, naast dat de magneet naar één richting wijst, de elektrische lading ook verschuift in een richting die onafhankelijk is van de magnetische richting.

Multiferroïsche materialen zijn interessant voor elektronica omdat ze mogelijk de snelheid kunnen verhogen en de energiekosten van harde schijven kunnen verlagen. Magnetische harde schijven slaan gegevens op in de vorm van magnetische domeinen, in wezen microscopisch kleine magneten die worden gelezen als een 1 of een 0, afhankelijk van hun magnetische oriëntatie.

De magneten worden geschakeld door een elektrische stroom, die veel energie verbruikt en niet snel kan werken. Als een opslagapparaat zou kunnen worden gemaakt met multiferroïsche materialen, zouden de domeinen kunnen worden geschakeld door een sneller elektrisch veld met veel lager vermogen. Ju en zijn collega’s waren benieuwd of multiferroïsch gedrag zou optreden in grafeen.

De extreem dunne structuur van het materiaal vormt een unieke omgeving waarin onderzoekers anderszins verborgen kwantuminteracties hebben ontdekt. Ju vroeg zich vooral af of grafeen multiferroïsch, gecoördineerd gedrag tussen zijn elektronen zou vertonen als het onder bepaalde omstandigheden en configuraties werd gerangschikt.

“We zijn op zoek naar omgevingen waar elektronen worden vertraagd – waar hun interacties met het omringende atomenrooster klein zijn, zodat hun interacties met andere elektronen door kunnen komen.” Ju legt het uit. “Dan hebben we enige kans om interessant collectief gedrag van elektronen te zien.”

Het team voerde enkele eenvoudige berekeningen uit en ontdekte dat er gecoördineerd gedrag tussen elektronen zou moeten ontstaan ​​in een structuur van vijf grafeenlagen die op elkaar zijn gestapeld in een ruitvormig patroon. (Denk aan vijf kippengaashekken, gestapeld en enigszins verschoven, zodat de structuur, van bovenaf gezien, lijkt op een patroon van ruitjes.)

“In vijf lagen bevinden elektronen zich in een roosteromgeving waar ze heel langzaam bewegen, zodat ze effectief kunnen interageren met andere elektronen.” Zegt Ju. “Dat is het moment waarop de elektronencorrelatie-effecten beginnen te domineren, en ze kunnen beginnen te coördineren in bepaalde geprefereerde, ferro-orden.”

Magische vlokken

De onderzoekers gingen vervolgens het laboratorium in om te kijken of ze multiferroïsch gedrag daadwerkelijk konden waarnemen in vijflaags grafeen. In hun experimenten begonnen ze met een klein blokje grafiet, waaruit ze zorgvuldig individuele vlokken exfolieerden. Ze gebruikten optische technieken om elke vlok te onderzoeken, waarbij ze specifiek op zoek gingen naar vijflaagse vlokken, die op natuurlijke wijze in een ruitvormig patroon waren gerangschikt.

“Tot op zekere hoogte doet de natuur de magie,” zei hoofdauteur en afgestudeerde student Han. “En we kunnen naar al deze vlokken kijken en zien welke vijf lagen heeft, in deze rhomboëdrische stapeling, wat je dit vertragende effect in elektronen zou moeten geven.”

Het team isoleerde verschillende vijflaagse vlokken en bestudeerde ze bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. In dergelijke ultrakoude omstandigheden moeten alle andere effecten, zoals thermisch geïnduceerde stoornissen in grafeen, worden gedempt, waardoor interacties tussen elektronen kunnen ontstaan. De onderzoekers maten de reactie van elektronen op een elektrisch veld en een magnetisch veld en ontdekten dat er inderdaad twee ferro-orden, of sets van gecoördineerd gedrag, ontstonden.

De eerste ferro-eigenschap was een onconventioneel magnetisme: de elektronen coördineerden hun baanbeweging, zoals planeten die in dezelfde richting cirkelen. (In conventionele magneten coördineren elektronen hun “draaien”- in dezelfde richting roteren, terwijl je relatief gefixeerd blijft in de ruimte.)

De tweede ferro-eigenschap had te maken met de elektronica van grafeen “vallei.” In elk geleidend materiaal zijn er bepaalde energieniveaus die elektronen kunnen innemen. Een vallei vertegenwoordigt de laagste energietoestand die een elektron op natuurlijke wijze kan bezinken. Het blijkt dat er twee mogelijke valleien zijn in grafeen. Normaal gesproken hebben elektronen geen voorkeur voor een van beide valleien en nestelen ze zich in beide.

Maar in vijflaags grafeen ontdekte het team dat de elektronen begonnen te coördineren en zich liever in de ene vallei boven de andere vestigden. Dit tweede gecoördineerde gedrag duidde op een ferroïsche eigenschap die, gecombineerd met het onconventionele magnetisme van de elektronen, de structuur een zeldzame, multiferroïsche toestand gaf.

“We wisten dat er iets interessants zou gebeuren in deze structuur, maar we wisten niet precies wat, totdat we het testten.” zegt co-eerste auteur Lu, een postdoc in de groep van Ju. “Het is de eerste keer dat we ferro-valleytronica zien, en ook de eerste keer dat we ferro-valleytronica naast elkaar zien bestaan ​​met een onconventionele ferromagneet.”

Het team liet zien dat ze beide ferro-eigenschappen konden controleren met behulp van een elektrisch veld. Ze stellen zich voor dat, als ingenieurs vijflaags grafeen of vergelijkbare multiferroïsche materialen in een geheugenchip kunnen verwerken, ze in principe hetzelfde elektrische veld met laag vermogen kunnen gebruiken om de elektronen van het materiaal op twee manieren te manipuleren in plaats van op één manier, en effectief verdubbel de gegevens die op een chip kunnen worden opgeslagen in vergelijking met conventionele multiferroics.

Hoewel deze visie verre van praktische realisatie is, zijn de resultaten van het team baanbrekend in de zoektocht naar betere, efficiëntere elektronische, magnetische en valleytronic-apparaten.