Herausragendes elektronisches Verhalten, das noch nie zuvor bei Graphen beobachtet wurde

Forscher vom MIT haben eine Schichtformation aus Graphen mit einigen aufregenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften entdeckt, die noch nie zuvor in irgendeinem Material beobachtet wurden.

Graphen ist eine Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von einem Atom und weist einige ungewöhnliche Eigenschaften auf. Die Atome sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet und das Material ist sehr fest und kann Elektrizität leiten. Die Forscher nahmen Graphit, das Material im Inneren eines Bleistifts, und trennten die dünnsten Schichten davon ab. Anschließend ordneten sie fünf davon in einem rautenförmigen Muster an – wie einen schrägen Block – und maßen ihre Eigenschaften.

Erstens zeigte dieses fünfschichtige Graphen eine seltsame magnetische Eigenschaft – den sogenannten „multiferroischen“ Zustand – die sehr selten ist. Als ob der unkonventionelle Magnetismus nicht ausreichte, verfügte er auch über ein einzigartiges elektronisches Verhalten, das das Team als Eisental bezeichnete und das die Ursache für den Multi-Eisen-Zustand ist.

„Graphen ist ein wunderbares Material“, sagte Teamleiter Long Guo, Assistenzprofessor für Physik am MIT, in einer Pressekonferenz. Stellungnahme. „Jede Schicht, die Sie hinzufügen, ergibt ein grundlegend neues Material. Dies ist das erste Mal, dass wir das Eisental, den unkonventionellen Magnetismus, in fünf Schichten Graphen sehen. Aber wir sehen diese Eigenschaft nicht in einer, zwei, drei.“ , oder vier Schichten.“

Durch die Anordnung der Schichten und die Platzierung der Probe nahe dem absoluten Nullpunkt können Wechselwirkungen zwischen Elektronen auftreten. Es gibt Quantenwechselwirkungen, die bei der Entstehung des Gesamtverhaltens des Systems eine Rolle spielen.

„In fünf Schichten befinden sich die Elektronen in einer Gitterumgebung, in der sie sich sehr langsam bewegen, sodass sie effektiv mit anderen Elektronen interagieren können“, fügte Gu hinzu. „Zu diesem Zeitpunkt beginnen elektronische Bindungseffekte die Oberhand zu gewinnen und sie können beginnen, sich in bestimmte bevorzugte Eisenanordnungen zu koordinieren.“

Die erste Eigenschaft von Eisen besteht darin, dass alle Elektronen ihre Umlaufbewegung koordinieren, ähnlich wie sich Elektronen in einem gewöhnlichen Magneten entlang ihres Spins ausrichten. Die zweite Eiseneigenschaft dreht sich um die „Täler“, die beiden Zustände mit der niedrigsten Energie, die Elektronen in Graphen einnehmen können. Normalerweise unterscheiden Elektronen nicht zwischen dem einen oder dem anderen. Aber bei dem fünfschichtigen Material wählen sie lieber eines als das andere.

Diese beiden Eigenschaften führen zu einem umfassenden Multiferromagnetismus, sodass durch Anlegen von Magnetfeldern an das Material mehrere Vorzugszustände erreicht werden können. Diese können bei Anwendungen nützlich sein, die eine höhere Effizienz als herkömmliche Materialien und Geräte aufweisen.

„Die Multi-Eisen-Eigenschaften in einem einzigen Material bedeuten, dass man, wenn man Energie und Zeit zum Schreiben einer magnetischen Festplatte spart, im Vergleich zu herkömmlichen Geräten auch die doppelte Menge an Informationen speichern kann“, erklärte Gu.

Der Artikel, in dem die Ergebnisse diskutiert werden, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.