Ultragevoelige sensor brengt magnetisatietexturen in rhomboëdrische grafeen in kaart

Grafeen, dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster, is een veelgebruikt materiaal dat bekend staat om zijn gunstige elektrische en mechanische eigenschappen. Wanneer grafeen wordt gestapeld in een zogenaamd rhombohedraal (dwz ABC) patroon, is het bekend dat er nieuwe elektronische kenmerken ontstaan, waaronder een afstembare bandstructuur en een niet-triviale topologie.

Door deze opkomende eigenschappen kunnen elektronen in rhomboëdrische grafeen zich gedragen alsof ze worden beïnvloed door ‘verborgen’ magnetische velden, zelfs als er geen magnetisch veld op wordt toegepast. Hoewel dit interessante effect goed gedocumenteerd is, is het tot nu toe een uitdaging gebleken om nauwkeurig te bestuderen hoe elektronen zichzelf in het materiaal organiseren, waarbij hun spins en daltoestanden in verschillende richtingen wijzen.

Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science zijn onlangs begonnen met het verder onderzoeken van de lokale magnetisatietexturen in rhombohedrisch grafeen, met behulp van een supergeleidend kwantuminterferentieapparaat op nanoschaal (nano-SQUID). Hun papier, gepubliceerd in Natuurfysicabiedt nieuw inzicht in de fysieke processen die de gecorreleerde toestanden beheersen die eerder in het materiaal werden waargenomen.

“Ons artikel begon met een simpele vraag: hoe ordenen de vier isospin-smaken (twee spins, twee valleien) in rhombohedrisch meerlaags grafeen magnetisch bij afwezigheid van een extern magnetisch veld bij lage temperatuur?” Prof. Eli Zeldov, groepsleider en senior auteur van het artikel, vertelde Phys.org.

“In deze systemen bevordert de grote dichtheid van toestanden een Stoner-achtige instabiliteit die de viervoudige degeneratie van de nominale metaaltoestand opheft, waardoor halfmetaal (tweevoudig) en kwartmetaal (eenvoudig) fasen worden geproduceerd naarmate de dragerdichtheid wordt verminderd. Deze symmetrie-gebroken metalen zijn veelbelovend voor niet-vluchtig geheugen en een vruchtbare arena voor gecorreleerde fysica, waardoor hun magnetische texturen worden opgelost en onderliggende elektron-elektron-interacterende energieschalen zijn essentieel.”

De meeste eerdere onderzoeken gericht op het blootleggen van de isospin-textuur van rhomboëdrische grafeen waren gebaseerd op bulksondes met een hoog magnetisch veld. Deze sondes kunnen isospin-degeneraties in materialen identificeren, maar ze leveren niet veel inzicht op in de lokale magnetische anisotropie en de onderliggende op elkaar inwerkende energieschalen bij een magnetisch veld dichtbij nul.

Als onderdeel van hun onderzoek gebruikte de groep van prof. Zeldov daarom een ​​nano-SQUID-on-tip-sonde, die in wezen een kleine maar ultragevoelige supergeleidende sensor is, gebouwd op de top van een scherpe pipet. Met deze sonde, die werkte bij millikelvin-temperaturen, konden ze voor het eerst isospin-gerelateerde magnetische texturen in meerlaags grafeen rechtstreeks in beeld brengen.

“We hebben een paar honderden nanometers boven de dual-gated rhomboëdrische tetralaag-grafeenapparaten gescand binnen een vectormagnetisch veld”, legt Dr. Surajit Dutta, mede-eerste auteur van het artikel, uit. “De sensor is extreem gevoelig en kan de magnetische veldsterkte tot 10 nanotesla meten. Om het magnetische patroon te krijgen, moduleren we de elektronendichtheid door kleine wisselspanningen op de poorten aan te leggen. Deze kleine dichtheidsschommelingen veranderen de magnetisatie van het monster, die op zijn beurt een lokaal wisselstroom-magnetisch veld produceert, gedetecteerd door de SQUID-on-tip.”

De onderzoekers verzamelden uiteindelijk het eerste experimentele inzicht in de patronen van richtingsafhankelijk magnetisme (dwz magnetische anisotropie) in twee exotische kwantumfasen van meerlaags rhomboëdrische grafeen. Deze fasen staan ​​bekend als de spin-gepolariseerde halfmetaal- en de spin-valley-gepolariseerde kwartmetaalfasen.

“We ontdekken dat de spins in het halfmetaal een zeer zwakke anisotropie hebben – een veld van slechts tientallen millitesla is voldoende om de spins in elke richting te kantelen – terwijl in de kwartmetaalfase de spins sterk vastgepind zijn langs de vallei, gepolariseerd buiten het vlak richting, ” zei Dr. Dutta.

“Dit duidelijke contrast in de anisotropie stelt ons in staat een ondergrens te stellen op de energieschaal van een elektron-elektroneninteractie, de uitwisselingskoppeling van Hund. Deze energieschaal was niet geëxtraheerd door enig eerder experiment in de rhomboëdrische meerlaagse grafeensystemen, ondanks zijn sleutelrol bij het bepalen van de energie-hiërarchie tussen concurrerende symmetrie-gebroken staten. “

Deze recente studie door Dr. Auerbach, Dr. Dutta, de heer Uzan en hun collega’s benadrukt het potentieel van SQUID-on-tip-apparaten voor het onderzoeken van lokale magnetische verschijnselen in tweedimensionale (2D) materialen. Soortgelijke methoden zouden kunnen worden gebruikt om de magnetische texturen in andere materialen in kaart te brengen, wat mogelijk inzicht zou kunnen opleveren dat de toekomstige engineering van spintronische en kwantumtechnologieën zou kunnen informeren.

In hun experiment verzamelden de onderzoekers metingen bij een basistemperatuur van een verdunningskoelkast, die ongeveer 20 mK bedraagt. In hun volgende onderzoek zijn ze van plan de temperatuur in het koelapparaat langzaam te verhogen en te observeren hoe de magnetische textuur verandert bij verschillende temperaturen.

“Hiermee kunnen we de Curietemperatuur nauwkeurig bepalen – de temperatuur waarbij het magnetisme uiteindelijk wordt uitgeschakeld – en volgen hoe de overeenkomstige magnetische anisotropie evolueert”, voegde prof. Zeldov eraan toe. “Daarnaast is ons grotere toekomstige doel om te zien hoe de magnetische ordening van isospins in de symmetrie-gebroken toestanden de gehele en fractionele kwantum afwijkende Hall-toestanden vormt, en of het onconventionele supergeleiding kan veroorzaken in de meerlaagse rhomboëdrische grafeenfamilie.”