Фізика
Фізика

Вченим вдалося намагнітити графен і покерувати ним електродами

Фізики додали магнітний шар у графен, щоб перевірити його вплив на провідність, та випадково намагнітили матеріал. Їм також вдалося довести електротранспортні властивості графену, який підвищував свою провідність у поєднанні з електродами та демонстрував спін-орбітальну взаємодію. За їхніми словами, це доводить користь такого магнітного графену для спінтронних приладів. Результати свого дослідження вчені опублікували у журналі Physical Review Letters.

На зображенні вісім електродів для вимірювання змін провідності графену навколо магніту товщиною 20 нанометрів (білий прямокутник) і графен (біла пунктирна лінія) / University at Buffalo

На зображенні вісім електродів для вимірювання змін провідності графену навколо магніту товщиною 20 нанометрів (білий прямокутник) і графен (біла пунктирна лінія) / University at Buffalo

Чому фізики досліджували графен?

Можна було помітити, що більшість новин, пов’язаних з надпровідністю, часто згадують саме графен. Це одна з форм вуглецю, товщиною в один атом, за відкриття якої вручили Нобелівську премію у 2010 році. Зараз про цей матеріал нам відомо досить багато: ми знаємо, що завдяки його двомірності, електронні властивості у ньому є досить специфічними і графен набуває максимальної рухливості носіїв заряду серед усіх відомих матеріалів. Графен є напівпровідником, але не має забороненої зони, є надзвичайно жорстким, тобто вміє протистояти деформаціям, прозорим, має рекордну теплопровідність та найнижчу теплоємність. Фізики люблять складати з нього «сендвічі», додавати меташари інших матеріалів і закручувати під «магічним кутом», щоб шукати нові властивості — наприклад, викликати надпровідність та навіть керувати нею.

Що з ним зробив магніт?

Втім, з усього списку досягнень графену, у ньому не трапляється магнетизм. І це зрозуміло, адже графен, як матеріал, який не містить металів, не містить і магнітних моментів, а тому магнетизму ніде взятися. Але, як ми вже згадували, фізики люблять компонувати графен з іншими матеріалами, а тому мають аж два способи намагнітити його. Так локально магнетизм може виникнути через дефекти у кристалічній решітці та навіть з’явитися через адсорбцію, поглинання, атомів з магнітними моментами від інших речовин.

У своїй роботі вчені додали до шару графену магніт товщиною 20 нанометрів, щоб виміряти, як провідність графену змінюється під його дією. У міру того, як розмір провідників зменшується у бік масштабів, керованих перенесенням електронів, їхня поведінка також змінюється. Їх цікавили саме мезоскопічні ефекти, тобто поведінка частинок на межі розділу між феромагнетиком і провідником, тож вони зондували графен вісьмома електродами, щоб вимірювати зміни провідності. На цьому рівні зазвичай з'являються термодинамічні характеристики, наприклад, температура, що характеризує середню енергію, яка припадає на одну частинку речовини, а тому ми можемо термодинамічний опис системи. Однак, фізики не просто побачили набуття графеном магнітних властивостей або зміни провідних, а і появу спін-орбітальної взаємодії та спінової поляризації, якою поуправляли струмом і яка необхідна для спінтронних пристроїв.

То це відкриття графенової спінтроніки?

Однією з квантових характеристик електрона є його спін, який умовно може бути спрямований вниз або вгору. Він і відповідає за магнетизм, змушуючи частинки взаємодіяти з магнітним полем та породжувати своє, спрямовуючи спіни у визначеному напрямку. Так він стає такою самою характеристикою, як і заряд та відкриває нам нові пристрої, де енергію або інформацію переносить не електричний струм, а струм спінів. Такі спінтронні ефекти можуть з’являтися у провідниках, поєднаних з феромагнетиками, але для графену ми поки не знаємо точних характеристик спін-орбітальної взаємодії та спінової поляризації через його двомірність.

У своїй роботі фізики помітили, що носії заряду у графені за контакту з магнітом, піддаються сильному впливу магнітних взаємодій, а також можуть поляризуватися за спіном та відчувати зовнішній спін-орбітальний зв'язок. Вони також помітили, що доданий зовнішній струм електродів спричинив значення підвищення амплітуди коливання провідності, що підтверджує вплив не стільки електрон-фононної взаємодії, тобто обмін електронів фононами, а саме спін-орбітальної, яка говорить про взаємодію електрона, що знаходиться на своїй орбіталі в атомі, та його власного спіна. Так на думку фізиків, магнітний графен може виявитися перспективним варіантом для спінтронних пристроїв, локальні фактори взаємодії у якому ми зможемо контролювати електродами.

спін-орбітальної взаємодії
взаємодія між частинкою, яка рухається та її власним магнітним моментом, зумовленим спіном
спінової поляризації
це ступінь, в якій спін поєднаний з заданим напрямом