Новини

Магнітний сюрприз, виявлений у графені «Магічний кут» – потенційні застосування квантових обчислень

Магнітний сюрприз, виявлений у графені «Магічний кут» – потенційні застосування квантових обчислень

Коли шари графену з «магічним кутом» (внизу) контактують із шарами певних перехідних металів, це викликає явище, яке називається спін-орбітальним зв’язком у шарах графену. Це явище породжує дивовижну фізику, включаючи феромагнетизм. Авторство: Li lab/Brown University

Магніти та надпровідники зазвичай не уживаються, але нове дослідження показує, що «магічний кут» графен здатний створювати як надпровідність, так і феромагнетизм, що може бути корисно в квантові обчислення.

Коли два аркуші вуглецевого наноматеріалу графену покладені разом під певним кутом один щодо одного, це породжує захоплюючу фізику. Наприклад, коли цей так званий «графен з магічним кутом» охолоджується до близького абсолютний нуль, він раптом стає надпровідником, тобто проводить електрику з нульовим опором.

Тепер дослідницька група з Університету Брауна знайшла дивовижне нове явище, яке може виникнути в графені з магічним кутом. У дослідженні, опублікованому в журналі наук, команда показала, що, викликаючи явище, відоме як спін-орбітальне сполучення, графен із магічним кутом стає потужним феромагнетиком.

«Магнитизм і надпровідність зазвичай знаходяться на протилежних кінцях спектра у фізиці конденсованої речовини, і рідко вони з’являються на одній матеріальній платформі», – сказав Цзя Лі, доцент фізики Брауна та старший автор дослідження. «Але ми показали, що ми можемо створити магнетизм у системі, яка спочатку містить надпровідність. Це дає нам новий спосіб вивчення взаємодії між надпровідністю та магнетизмом і відкриває нові захоплюючі можливості для дослідження квантової науки».

За останні роки графен із магічним кутом викликав неабиякий резонанс у фізиці. Графен — це двовимірний матеріал, що складається з атомів вуглецю, розташованих у вигляді сот. Поодинокі листи графену цікаві самі по собі — вони демонструють чудову міцність матеріалу та надзвичайно ефективну електропровідність. Але все стає ще цікавішим, коли графенові листи складаються один з одним. Електрони починають взаємодіяти не тільки з іншими електронами всередині графенового листа, а й з електронами сусіднього листа. Зміна кута нахилу листів відносно один одного змінює ці взаємодії, викликаючи цікаві квантові явища, такі як надпровідність.

Варто знати  Цікаві функції iOS 16: конвертер валют, скасування в редакторі фото та інше

Це нове дослідження додає нову складку — спін-орбітальну зв’язку — до цієї вже цікавої системи. Спін-орбітальне сполучення — це стан поведінки електрона в певних матеріалах, при якому спін кожного електрона — його крихітний магнітний момент, який спрямований вгору або вниз — стає пов’язаним з його орбітою навколо атомного ядра.

«Ми знаємо, що спін-орбітальна зв’язок породжує широкий спектр цікавих квантових явищ, але зазвичай вона не присутня в графені з магічним кутом», — сказав Цзян-Сязі Лін, докторант Брауна та провідний автор дослідження. «Ми хотіли запровадити спін-орбітальний зв’язок, а потім побачити, який вплив це має на систему».

Для цього Лі та його команда поєднали графен із магічним кутом з блоком диселеніду вольфраму, матеріалу, який має сильне спін-орбітальне зв’язок. Точне вирівнювання стека викликає спін-орбітальний зв’язок у графені. Звідти команда досліджувала систему зовнішніми електричними струмами та магнітними полями.

Експерименти показали, що електричний струм, що протікає в одному напрямку через матеріал у присутності зовнішнього магнітного поля, створює напругу в напрямку, перпендикулярному до струму. Ця напруга, відома як ефект Холла, є ознакою внутрішнього магнітного поля в матеріалі.

На превеликий подив дослідницької групи, вони показали, що магнітним станом можна керувати за допомогою зовнішнього магнітного поля, яке орієнтоване або в площині графену, або поза площиною. Це на відміну від магнітних матеріалів без спін-орбітального зв’язку, де внутрішнім магнетизмом можна керувати лише тоді, коли зовнішнє магнітне поле вирівняно вздовж напрямку магнетизму.

«Це спостереження вказує на те, що спін-орбітальна зв’язок справді присутня і надає підказку для побудови теоретичної моделі для розуміння впливу атомного інтерфейсу», — сказав Яхуї Чжан, фізик-теоретик з Гарвардського університету, який працював з командою в Брауні. зрозуміти фізику, пов’язану з спостережуваним магнетизмом.

Варто знати  П'ять тем, які заощадять заряд акумулятора та "прискорять" смартфони Xiaomi

«Унікальний вплив спін-орбітального зв’язку дає вченим нову експериментальну ручку, щоб повернути зусилля, щоб зрозуміти поведінку графену з магічним кутом», — сказала Ерін Моріссетт, аспірантка Брауна, яка виконувала деякі експериментальні роботи. «Висновки також мають потенціал для нових застосувань пристроїв».

Одним із можливих застосувань є пам’ять комп’ютера. Команда виявила, що магнітними властивостями графену з магічним кутом можна керувати як зовнішніми магнітними полями, так і електричними полями. Це зробить цю двовимірну систему ідеальним кандидатом для пристрою магнітної пам’яті з гнучкими параметрами читання/запису.

Ще одне потенційне застосування — у квантових обчисленнях, кажуть дослідники. Інтерфейс між феромагнетиком і надпровідником був запропонований як потенційний будівельний блок для квантових комп’ютерів. Проблема, однак, полягає в тому, що такий інтерфейс важко створити, оскільки магніти, як правило, руйнують надпровідність. Але матеріал, який здатний як до феромагнетизму, так і до надпровідності, може стати способом створення цього інтерфейсу.

«Ми працюємо над використанням атомного інтерфейсу для одночасної стабілізації надпровідності та феромагнетизму», – сказав Лі. «Співіснування цих двох явищ рідко зустрічається у фізиці, і це, безсумнівно, розблокує більше хвилювання».

Довідкова інформація: «Феромагнетизм, керований спін-орбітою при заповненні напівмуаром у двошаровому графені, що крутиться під магічним кутом», Цзян-Сязі Лін, Я-Хуй Чжан, Ерін Мориссетт, Чжи Ван, Сон Лю, Деніел Роудс, К. Ватанабе, Т. Танігучі, Джеймс Хоун і Джіа Лі, 6 січня 2022 р., наук.
DOI: 10.1126/science.abh2889

Дослідження проводилося в першу чергу за підтримки Університету Брауна. Додатковими співавторами є Я-Хуй Чжан, Чжи Ван, Сон Лю, Деніел Роудс, Кенджі Ватанабе, Такаші Танігучі та Джеймс Хоун.

Підписуйтесь на наш телеграм-канал, щоб не пропускати новини!

Підписатися
Сповістити про
guest
0 Коментарі
Вбудовані Відгуки
Переглянути всі коментарі