Kæmpe magnetresistens spottet i næsten uberørt grafen

Kæmpe magnetresistens spottet i næsten uberørt grafen

Tidsstempel: 20. april 2023 kl. 12

Grafen illustration
Vidundermateriale: kugle-og-pind-illustration af et enkelt ark grafen. (Med høflighed: Shutterstock/billdayone)

Efter at have forbløffet os med sin utrolige styrke, fleksibilitet og termiske ledningsevne, har grafen nu kridtet endnu en bemærkelsesværdig egenskab med sin magnetoresistens. Forskere i Singapore og Storbritannien har vist, at i næsten uberørt monolagsgrafen kan magnetoresistensen ved stuetemperatur være størrelsesordener højere end i noget andet materiale. Det kunne derfor både give en platform til at udforske eksotisk fysik og potentielt et værktøj til at forbedre elektroniske enheder.

Magnetoresistens er en ændring i elektrisk modstand ved udsættelse for et magnetfelt. I det klassiske regime opstår magnetoresistens, fordi magnetfeltet krummer banerne for strømmende ladninger af Lorentz-kraften. I traditionelle metaller, hvor ledning næsten udelukkende sker gennem elektronbevægelse, mættes magnetoresistens hurtigt, når feltet øges, fordi elektronernes afbøjning skaber en netto potentialforskel over materialet, som modvirker Lorentz-potentialet. Situationen er anderledes i halvmetaller som bismuth og grafit, hvor strømmen bæres ligeligt af elektroner og positive huller. Modsatte ladninger, der strømmer i modsatte retninger, ender med at blive afbøjet på samme måde af magnetfeltet, så der genereres ingen netto potentialforskel, og magnetomodstanden kan teoretisk vokse uendeligt.

I dette regime afhænger magnetoresistensen af ​​ladningsbærernes mobilitet (deres tilbøjelighed til at bevæge sig som reaktion på et påført potentiale). Kontraintuitivt viser materialer med højere bærermobilitet derfor også højere magnetoresistens. Magnetomodstanden for de fleste halvmetaller falder, når temperaturen stiger, fordi termiske vibrationer fører til spredning. Eksperimenter med magnetoresistens udføres derfor normalt under kryogene forhold.

Ingen båndgab

Grafen er dog kendt for sin ekstraordinært høje bærermobilitet, som opstår, fordi elektroner forplanter sig som masseløse Dirac-fermioner ved omkring 106 m/s uanset deres energi, og for dets fuldstændige fravær af båndgab. Nu, Alexey Berdyugin fra National University of Singapore har set på, om kolossal magnetoresistens kunne skabes i grafen ved at fylde de elektroniske energiniveauer op præcist til det punkt, hvor valens- og ledningsbåndene rørte ved.

"Vi tuner Fermi-niveauet til dette singularitetspunkt, og hvis du har en temperatur, der ikke er nul, vil du ved ligevægt have et vist antal elektroner exciteret fra valensbåndet til ledningsbåndet, hvilket efterlader et lige så stort antal positive huller i valensbåndet,” forklarer Berdyugin.

De elektriske egenskaber af grafen blev første gang målt for næsten 20 år siden af ​​Kostya Novoselov og Andre Geim fra University of Manchester - som sække duoen 2010 Nobelprisen i fysik. Berdyugin forklarer dog, at eksperimenter, der involverer uberørt udopet grafen, er meget vanskelige at udføre. »Man når faktisk aldrig til det såkaldte ladningsneutralitetspunkt. Du har en ø af doping med elektroner et sted, en ø af doping med huller et andet - i gennemsnit har du neutralitetspunktet, men faktisk består det af dopet grafen. Sådanne situationer omtales som elektronhulspytter." I de efterfølgende to årtier er homogeniteten af ​​grafen blevet forbedret med størrelsesordener, og størrelsen af ​​elektronhulspytterne er derfor reduceret, men den er stadig til stede.

Dirac væske

Når temperaturen hæves, kan de små inhomogeiteter i dopingen dog blive overvældet af termiske udsving, hvilket giver en "Dirac-væske" med uventede egenskaber såsom hydrodynamisk flow. I det nye arbejde har forskere fra Berdyugins gruppe i Singapore og Geims gruppe i Manchester sammen med Leonid Ponomarenko ved University of Lancaster, viser, at denne Dirac-væske i denne tilstand udviser en stuetemperatur-magnetoresistivitet på 110% i et magnetfelt på 0.1 T. I modsætning hertil viser metaller sjældent magnetoresistiviteter over 1% over flydende nitrogentemperatur ved samme temperatur. magnetfelt. Grafens høje magnetoresistens kan potentielt være nyttig til magnetisk sensing.

Mere interessant fra et teoretisk perspektiv er Dirac-væskens opførsel i høje felter. Mens den klassiske model for magnetoresistivitet forudsiger en parabolsk stigning af modstand med feltstyrke, begynder den i grafen at stige lineært. Lignende fænomener er blevet observeret i stærkt interagerende systemer såsom højtemperatursuperledere, og en forklaring blev foreslået af nobelpristageren Alexei Abrikosov. Indtil videre er denne mærkelige effekt dog ikke korrekt forstået i 3D, og ​​om den ville blive observeret i grafen var ukendt. "Teori kan forudsige næsten alt," siger Berdyugin, "men for at lave forudsigelser er teoretikere nødt til at gøre antagelser, og nogle gange holder de ikke, når de står over for virkeligheden. Her viser vi teori den korrekte måde at se på ladningsneutralitetspunktet for grafen."

Fysiker i kondenseret stof Mark Ku fra University of Delaware er fascineret af forskningen. "I sig selv vil jeg ikke sige, at den store magnetoresistens er den mest interessante eller nye del," siger han. "Jeg er ikke sikker på, at jeg vil sige, at det er overraskende, for jeg er ikke sikker på, hvad folk faktisk forventede, men det, der helt sikkert er klart, er, at der ikke er nogen aktuel teori til at forklare deres observerede magnetoresistens i Dirac-væsken...Jeg tror, ​​det er den mest nye del, fordi folk ved, at hvis de har en teori, kan de sammenligne den med eksperimentet."

Forskningen er beskrevet i Natur.  

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden