مقاومت مغناطیسی غول پیکر در گرافن تقریباً دست نخورده مشاهده شد

مقاومت مغناطیسی غول پیکر در گرافن تقریباً دست نخورده مشاهده شد

تمبر زمان: 20 آوریل 2023، 12:09 بعد از ظهر

تصویر گرافن
مواد شگفت انگیز: تصویر توپ و چوب از یک ورق گرافن. (با احترام: Shutterstock/billdayone)

پس از شگفت‌انگیز بودن ما با استحکام، انعطاف‌پذیری و هدایت حرارتی باورنکردنی‌اش، گرافن اکنون ویژگی قابل‌توجه دیگری را با مقاومت مغناطیسی خود به‌دست آورده است. محققان در سنگاپور و بریتانیا نشان داده‌اند که در گرافن تک لایه تقریباً بکر، مقاومت مغناطیسی دمای اتاق می‌تواند نسبت به هر ماده دیگری بالاتر باشد. بنابراین می تواند هم بستری برای کاوش در فیزیک عجیب و غریب و هم به طور بالقوه ابزاری برای بهبود دستگاه های الکترونیکی فراهم کند.

مقاومت مغناطیسی تغییر در مقاومت الکتریکی در مواجهه با میدان مغناطیسی است. در رژیم کلاسیک، مقاومت مغناطیسی به این دلیل به وجود می آید که میدان مغناطیسی مسیر بارهای جاری را توسط نیروی لورنتس منحنی می کند. در فلزات سنتی، که در آنها رسانایی تقریباً تنها از طریق حرکت الکترون اتفاق می‌افتد، با افزایش میدان، مقاومت مغناطیسی به سرعت اشباع می‌شود، زیرا انحراف الکترون‌ها یک اختلاف پتانسیل خالص در سراسر ماده ایجاد می‌کند که با پتانسیل لورنتس خنثی می‌کند. وضعیت در نیمه فلزات مانند بیسموت و گرافیت که در آنها جریان به طور مساوی توسط الکترون ها و حفره های مثبت حمل می شود، متفاوت است. بارهای مخالفی که در جهات مخالف جریان دارند در نهایت توسط میدان مغناطیسی منحرف می شوند، بنابراین هیچ اختلاف پتانسیل خالص ایجاد نمی شود و مقاومت مغناطیسی از نظر تئوری می تواند به طور نامحدود رشد کند.

در این رژیم، مقاومت مغناطیسی به تحرک حامل های بار (تمایل آنها به حرکت در پاسخ به پتانسیل اعمال شده) بستگی دارد. بنابراین، مواد با تحرک حامل بالاتر نیز مقاومت مغناطیسی بالاتری از خود نشان می دهند. مقاومت مغناطیسی اکثر نیمه فلزات با افزایش دما کاهش می یابد زیرا ارتعاش حرارتی منجر به پراکندگی می شود. بنابراین، آزمایش‌ها روی مقاومت مغناطیسی معمولاً در شرایط برودتی انجام می‌شوند.

بدون شکاف باند

گرافن، با این حال، به دلیل تحرک فوق‌العاده بالای حامل خود شناخته شده است، که به این دلیل به وجود می‌آید که الکترون‌ها به صورت فرمیون‌های دیراک بدون جرم در حدود ۱۰ منتشر می‌شوند.6 متر بر ثانیه صرف نظر از انرژی آنها، و برای عدم وجود شکاف باند. اکنون، الکسی بردیوگین از دانشگاه ملی سنگاپور به این موضوع پرداخته‌اند که آیا می‌توان با پر کردن سطوح انرژی الکترونیکی دقیقاً تا جایی که باندهای ظرفیت و رسانایی با هم تماس دارند، مقاومت مغناطیسی عظیمی در گرافن ایجاد کرد.

ما سطح فرمی را روی این نقطه تکینگی تنظیم می کنیم و اگر دمایی غیر صفر داشته باشید، در حالت تعادل، تعداد معینی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی برانگیخته شده و تعداد مساوی حفره های مثبت را پشت سر خواهید گذاشت. بردیوگین توضیح می دهد که در باند ظرفیت.

خواص الکتریکی گرافن برای اولین بار تقریبا 20 سال پیش توسط Kostya Novoselov و Andre Geim از دانشگاه منچستر اندازه گیری شد. جایزه نوبل فیزیک 2010. با این حال، بردیوگین توضیح می دهد که انجام آزمایش های مربوط به گرافن دست نخورده و دست نخورده بسیار دشوار است. شما در واقع هرگز به نقطه به اصطلاح خنثی شارژ نمی رسید. شما یک جزیره دوپینگ با الکترون ها در یک مکان دارید، یک جزیره دوپینگ با سوراخ هایی در جای دیگر - به طور متوسط ​​شما نقطه خنثی دارید اما در واقع از گرافن دوپینگ تشکیل شده است. چنین موقعیت هایی به عنوان حفره های الکترونی نامیده می شوند. در دو دهه‌ی بعدی، همگنی گرافن با مرتبه‌های بزرگی بهبود یافته و در نتیجه اندازه حفره‌های الکترون-حفره کاهش یافته است، اما همچنان وجود دارد.

مایع دیراک

با این حال، هنگامی که دما افزایش می یابد، ناهماهنگی های کوچک در دوپینگ می تواند توسط نوسانات حرارتی تحت تاثیر قرار گیرد و یک "سیال دیراک" با خواص غیرمنتظره مانند جریان هیدرودینامیکی تولید شود. در کار جدید، محققان گروه بردیوگین در سنگاپور و گروه گیم در منچستر به همراه لئونید پونومارنکو در دانشگاه لنکستر، نشان می دهد که در این حالت، این سیال دیراک دارای مقاومت مغناطیسی در دمای اتاق 110٪ در میدان مغناطیسی 0.1 T است. در مقابل، فلزات به ندرت مقاومت مغناطیسی بالاتر از 1٪ بالاتر از دمای نیتروژن مایع را در همان حالت نشان می دهند. میدان مغناطیسی. مقاومت مغناطیسی بالای گرافن به طور بالقوه می تواند برای سنجش مغناطیسی مفید باشد.

جالب تر از منظر نظری، رفتار سیال دیراک در میدان های بالا است. در حالی که مدل کلاسیک مقاومت مغناطیسی افزایش سهموی مقاومت با شدت میدان را پیش‌بینی می‌کند، در گرافن شروع به افزایش خطی می‌کند. پدیده‌های مشابهی در سیستم‌های دارای تعامل قوی مانند ابررساناهای با دمای بالا مشاهده شده است و توضیحی نیز توسط برنده جایزه نوبل ارائه شده است. الکسی ابریکوسوف. با این حال، تا کنون، این اثر کنجکاو به درستی در سه بعدی درک نشده است، و اینکه آیا در گرافن مشاهده می شود یا خیر، ناشناخته بود. بردیوگین می‌گوید: «تئوری تقریباً هر چیزی را می‌تواند پیش‌بینی کند، اما برای پیش‌بینی، نظریه‌پردازان باید مفروضاتی داشته باشند، و گاهی اوقات وقتی با واقعیت روبرو می‌شوند، آن‌ها را باور نمی‌کنند. در اینجا ما روش صحیحی را برای نگاه کردن به نقطه خنثی بار گرافن به تئوری نشان می دهیم.

فیزیکدان ماده چگال مارک کو از دانشگاه دلاور توسط این تحقیق مجذوب شده است. او می‌گوید: «به خودی خود، نمی‌توانم بگویم که مقاومت مغناطیسی بزرگ جالب‌ترین یا جدیدترین بخش است. مطمئن نیستم که بگویم شگفت‌انگیز است، زیرا مطمئن نیستم که مردم واقعاً چه انتظاراتی داشتند، اما آنچه قطعاً واضح است این است که هیچ نظریه فعلی برای توضیح مقاومت مغناطیسی مشاهده شده آنها در سیال دیراک وجود ندارد... فکر می‌کنم این جدیدترین است. بخشی به این دلیل است که مردم می دانند که اگر نظریه ای داشته باشند، می توانند آن را با آزمایش مقایسه کنند.

تحقیق در شرح داده شده است طبیعت.  

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک