رصدت مقاومة مغناطيسية عملاقة في الجرافين شبه الأصلي

رصدت مقاومة مغناطيسية عملاقة في الجرافين شبه الأصلي

الطابع الزمني: 20 أبريل 2023 12:09 مساءً

التوضيح الجرافين
المادة الرائعة: رسم كروي وعصا لورقة واحدة من الجرافين. (مجاملة: Shutterstock / billdayone)

بعد أن أذهلنا بقوته المذهلة ومرونته وتوصيله الحراري ، اكتسب الجرافين الآن خاصية رائعة أخرى بمقاومته المغناطيسية. أظهر باحثون في سنغافورة والمملكة المتحدة أنه في الجرافين أحادي الطبقة شبه الأصلي ، يمكن أن تكون المقاومة المغناطيسية لدرجة حرارة الغرفة أعلى من أي مادة أخرى. لذلك يمكن أن يوفر منصة لاستكشاف الفيزياء الغريبة وربما أداة لتحسين الأجهزة الإلكترونية.

المقاومة المغناطيسية هي تغيير في المقاومة الكهربائية عند التعرض لمجال مغناطيسي. في النظام الكلاسيكي ، تنشأ المقاومة المغناطيسية لأن المجال المغناطيسي ينحني مسارات الشحنات المتدفقة بواسطة قوة لورنتز. في المعادن التقليدية ، حيث يحدث التوصيل فقط تقريبًا من خلال حركة الإلكترون ، تتشبع المقاومة المغناطيسية بسرعة مع زيادة المجال لأن انحراف الإلكترونات يخلق فرق جهد صافٍ عبر المادة ، مما يبطل إمكانات لورنتز. يختلف الوضع في شبه المعادن مثل البزموت والجرافيت ، حيث يتم نقل التيار بالتساوي بواسطة الإلكترونات والثقوب الموجبة. الشحنات المعاكسة التي تتدفق في اتجاهات متعاكسة ينتهي بها الأمر إلى الانحراف بنفس الطريقة عن طريق المجال المغناطيسي ، لذلك لا يتم إنشاء فرق جهد صافٍ ويمكن أن تنمو المقاومة المغناطيسية نظريًا إلى أجل غير مسمى.

في هذا النظام ، تعتمد المقاومة المغناطيسية على تنقل حاملات الشحنة (ميلها إلى التحرك استجابة لإمكانية مطبقة). وبالتالي ، فإن المواد ذات الحركة الحاملة العالية تظهر أيضًا مقاومة مغناطيسية أعلى ، على عكس ما هو متوقع. تنخفض المقاومة المغناطيسية لمعظم المواد شبه المعدنية مع ارتفاع درجة الحرارة لأن الاهتزاز الحراري يؤدي إلى التشتت. عادة ما يتم إجراء التجارب على المقاومة المغناطيسية ، لذلك ، في ظل ظروف شديدة البرودة.

لا فجوة الحزمة

ومع ذلك ، يُعرف الجرافين بقابليته العالية على الحركة الحاملة ، والتي تنشأ بسبب انتشار الإلكترونات على شكل فرميونات ديراك عديمة الكتلة عند حوالي 106 م / ث بغض النظر عن طاقتها ، وغيابها التام لأي فجوة نطاق. الآن، أليكسي بيرديوجين من جامعة سنغافورة الوطنية بحثت في إمكانية إنشاء مقاومة مغناطيسية هائلة في الجرافين عن طريق ملء مستويات الطاقة الإلكترونية بدقة إلى النقطة التي تلامس فيها نطاقات التكافؤ والتوصيل.

"نقوم بضبط مستوى Fermi على بقعة التفرد هذه ، وإذا كانت لديك درجة حرارة غير صفرية ، فعند التوازن سيكون لديك عدد معين من الإلكترونات متحمس من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، تاركًا وراءك عددًا متساويًا من الثقوب الإيجابية في فرقة التكافؤ "، يشرح بيرديوجين.

تم قياس الخواص الكهربائية للجرافين لأول مرة منذ ما يقرب من 20 عامًا بواسطة كوستيا نوفوسيلوف وأندريه جيم من جامعة مانشستر - حيث قام كل من كوستيا نوفوسيلوف وأندريه جيم من جامعة مانشستر بقياس الخواص الكهربائية 2010 جائزة نوبل في الفيزياء. ومع ذلك ، يوضح Berdyugin أن التجارب التي تنطوي على الجرافين الأصلي غير المكسور يصعب جدًا القيام بها. "لا يمكنك في الواقع الوصول إلى ما يسمى نقطة حيادية الشحنة. لديك جزيرة من تعاطي المنشطات بالإلكترونات في مكان ما ، وجزيرة تعاطي المنشطات بها ثقوب في مكان آخر - في المتوسط ​​لديك نقطة الحياد ولكنها في الواقع تتكون من الجرافين المخدر. يشار إلى مثل هذه المواقف باسم برك ثقب الإلكترون ". في العقدين التاليين ، تحسن تجانس الجرافين بأعداد كبيرة ، وبالتالي تقلص حجم برك ثقب الإلكترون ، لكنه لا يزال موجودًا.

سائل ديراك

ومع ذلك ، عندما ترتفع درجة الحرارة ، يمكن أن تطغى التقلبات الحرارية على عدم الانسجام الصغير في المنشطات ، مما ينتج عنه "سائل ديراك" بخصائص غير متوقعة مثل التدفق الهيدروديناميكي. في العمل الجديد ، باحثون من مجموعة Berdyugin في سنغافورة ومجموعة Geim في مانشستر ، سويًا ليونيد بونومارينكو في جامعة لانكستر ، أظهر أنه في هذه الحالة ، يُظهر سائل ديراك مقاومة مغناطيسية لدرجة حرارة الغرفة تبلغ 110٪ في مجال مغناطيسي قدره 0.1 T. على النقيض من ذلك ، نادرًا ما تظهر المعادن مقاومة مغناطيسية أعلى من 1٪ فوق درجة حرارة النيتروجين السائل في نفس الوقت حقل مغناطيسي. يمكن أن تكون المقاومة المغناطيسية العالية للجرافين مفيدة للاستشعار المغناطيسي.

الأكثر إثارة للاهتمام من منظور نظري هو سلوك سائل ديراك في المجالات العالية. في حين أن النموذج الكلاسيكي للمقاومة المغناطيسية يتنبأ بزيادة مكافئة للمقاومة مع شدة المجال ، في الجرافين يبدأ في الزيادة خطيًا. وقد لوحظت ظواهر مماثلة في الأنظمة شديدة التفاعل مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية ، واقترح الحائز على جائزة نوبل تفسيرًا. أليكسي أبريكوسوف. ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يتم فهم هذا التأثير الغريب بشكل صحيح في الأبعاد الثلاثية ، وما إذا كان سيتم ملاحظته في الجرافين غير معروف. يقول بيرديوجين: "يمكن للنظرية أن تتنبأ بأي شيء تقريبًا ، ولكن لعمل تنبؤات ، يتعين على المنظرين وضع افتراضات ، وأحيانًا عندما يواجهون الواقع لا يصمدون. نعرض هنا النظرية الطريقة الصحيحة للنظر إلى نقطة حياد شحنة الجرافين ".

فيزيائي مادة مكثفة مارك كو من جامعة ديلاوير مفتون بالبحث. يقول: "في حد ذاتها ، لن أقول إن المقاومة المغناطيسية الكبيرة هي الجزء الأكثر إثارة للاهتمام أو الجديد". "لست متأكدًا من أنني سأقول إنه مفاجئ لأنني لست متأكدًا مما توقعه الناس بالفعل ، ولكن ما هو واضح بالتأكيد هو أنه لا توجد نظرية حالية لشرح المقاومة المغناطيسية الملحوظة في سائل ديراك ... أعتقد أن هذا هو الأكثر رواية جزء منها لأن الناس يعرفون أنه إذا كانت لديهم نظرية ، فيمكنهم مقارنتها بالتجربة ".

تم وصف البحث في الطبيعة.  

الطابع الزمني:

اكثر من عالم الفيزياء