Magnetorresistencia gigante detectada en grafeno casi prístino

Después de sorprendernos con su increíble fuerza, flexibilidad y conductividad térmica, el grafeno ahora ha logrado otra propiedad notable con su magnetorresistencia. Investigadores en Singapur y el Reino Unido han demostrado que, en el grafeno monocapa casi prístino, la magnetorresistencia a temperatura ambiente puede ser de varios órdenes de magnitud mayor que en cualquier otro material. Por lo tanto, podría proporcionar una plataforma para explorar la física exótica y, potencialmente, una herramienta para mejorar los dispositivos electrónicos.

La magnetorresistencia es un cambio en la resistencia eléctrica al exponerse a un campo magnético. En el régimen clásico, surge la magnetorresistencia porque el campo magnético curva las trayectorias de las cargas que fluyen por la fuerza de Lorentz. En los metales tradicionales, en los que la conducción se produce casi exclusivamente a través del movimiento de los electrones, la magnetorresistencia se satura rápidamente a medida que aumenta el campo porque la desviación de los electrones crea una diferencia de potencial neta en todo el material, que contrarresta el potencial de Lorentz. La situación es diferente en semimetales como el bismuto y el grafito, en los que la corriente es transportada por igual por electrones y huecos positivos. Las cargas opuestas que fluyen en direcciones opuestas terminan siendo desviadas de la misma manera por el campo magnético, por lo que no se genera una diferencia de potencial neta y, en teoría, la magnetorresistencia puede crecer indefinidamente.

En este régimen, la magnetorresistencia depende de la movilidad de los portadores de carga (su propensión a moverse en respuesta a un potencial aplicado). Contrariamente a la intuición, por lo tanto, los materiales con una mayor movilidad del portador también muestran una mayor magnetorresistencia. La magnetorresistencia de la mayoría de los semimetales cae a medida que aumenta la temperatura porque la vibración térmica conduce a la dispersión. Por lo tanto, los experimentos sobre magnetorresistencia se realizan normalmente en condiciones criogénicas.

Sin banda prohibida

El grafeno, sin embargo, es conocido por su movilidad de portador extraordinariamente alta, que surge porque los electrones se propagan como fermiones de Dirac sin masa a aproximadamente 10⁶ m/s independientemente de su energía, y por su total ausencia de banda prohibida. Ahora, Alexey Berdyugin de la Universidad Nacional de Singapur han analizado si se podría crear una magnetorresistencia colosal en el grafeno llenando los niveles de energía electrónica precisamente hasta el punto donde se tocaban las bandas de valencia y conducción.

“Ajustamos el nivel de Fermi a este punto de singularidad y, si tiene una temperatura distinta de cero, entonces en el equilibrio tendrá una cierta cantidad de electrones excitados desde la banda de valencia a la banda de conducción, dejando atrás una cantidad igual de huecos positivos. en la banda de valencia”, explica Berdyugin.

Las propiedades eléctricas del grafeno fueron medidas por primera vez hace casi 20 años por Kostya Novoselov y Andre Geim de la Universidad de Manchester, lo que les dio a ambos la 2010 Premio Nobel de Física. Sin embargo, Berdyugin explica que los experimentos con grafeno puro sin dopar son muy difíciles de realizar. “En realidad nunca llegas al llamado punto de neutralidad de carga. Tienes una isla de dopaje con electrones en un lugar, una isla de dopaje con agujeros en otro; en promedio, tienes el punto de neutralidad, pero de hecho consiste en grafeno dopado. Tales situaciones se conocen como charcos de agujeros de electrones”. En las dos décadas siguientes, la homogeneidad del grafeno ha mejorado en órdenes de magnitud y, en consecuencia, el tamaño de los charcos de agujeros de electrones se ha reducido, pero todavía está presente.

fluido dirac

Sin embargo, cuando se eleva la temperatura, las pequeñas faltas de homogeneidad en el dopaje pueden verse superadas por las fluctuaciones térmicas, lo que produce un "fluido de Dirac" con propiedades inesperadas, como el flujo hidrodinámico. En el nuevo trabajo, investigadores del grupo de Berdyugin en Singapur y del grupo de Geim en Manchester, junto con leonid ponomarenko en la Universidad de Lancaster, muestran que, en este estado, este fluido de Dirac presenta una magnetorresistividad a temperatura ambiente del 110 % en un campo magnético de 0.1 T. Por el contrario, los metales rara vez muestran magnetorresistividades superiores al 1 % por encima de la temperatura del nitrógeno líquido al mismo tiempo. campo magnético. La alta magnetorresistencia del grafeno podría ser potencialmente útil para la detección magnética.

La magnetorresistencia de túnel grande aparece a temperatura ambiente en una unión de túnel magnético miniaturizado

Más interesante desde una perspectiva teórica es el comportamiento del fluido de Dirac en campos altos. Mientras que el modelo clásico de magnetorresistividad predice un aumento parabólico de la resistencia con la intensidad del campo, en el grafeno comienza a aumentar de forma lineal. Se han observado fenómenos similares en sistemas de interacción fuerte, como los superconductores de alta temperatura, y el premio Nobel propuso una explicación. Alexéi Abrikosov. Sin embargo, hasta ahora, este curioso efecto no se entiende correctamente en 3D, y se desconoce si se observaría en el grafeno. “La teoría puede predecir casi cualquier cosa”, dice Berdyugin, “pero para hacer predicciones, los teóricos tienen que hacer suposiciones y, a veces, cuando se enfrentan a la realidad, no se sostienen. Aquí mostramos a la teoría la forma correcta de ver el punto de neutralidad de carga del grafeno”.

físico de la materia condensada marca ku de la Universidad de Delaware está intrigado por la investigación. “Por sí misma, no diría que la gran magnetorresistencia es la parte más interesante o novedosa”, dice. “No estoy seguro de decir que es sorprendente porque no estoy seguro de lo que la gente realmente esperaba, pero lo que sí está claro es que no existe una teoría actual para explicar su magnetorresistencia observada en el fluido de Dirac… Creo que esa es la más novedosa. en parte porque las personas saben que si tienen una teoría, pueden compararla con el experimento”.

La investigación se describe en Naturaleza.  

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/