Valtava magneettiresistanssi havaittu lähes koskemattomassa grafeenissa

Hämmästyttyään uskomattomalla lujuudellaan, joustavuudellaan ja lämmönjohtavuudellaan, grafeeni on nyt saavuttanut toisen merkittävän ominaisuuden magneettiresistanssillaan. Singaporen ja Yhdistyneen kuningaskunnan tutkijat ovat osoittaneet, että lähes koskemattoman yksikerroksisen grafeenin magnetoresistanssi huoneenlämpötilassa voi olla suuruusluokkaa suurempi kuin missään muussa materiaalissa. Siksi se voisi tarjota sekä alustan eksoottisen fysiikan tutkimiselle että mahdollisesti työkalun elektronisten laitteiden parantamiseen.

Magnetoresistanssi on muutos sähköisessä resistanssissa altistuessaan magneettikentälle. Klassisessa järjestelmässä magneettiresistanssi syntyy, koska magneettikenttä kaaree virtaavien varausten liikeradat Lorentzin voiman vaikutuksesta. Perinteisissä metalleissa, joissa johtuminen tapahtuu lähes yksinomaan elektronien liikkeen kautta, magnetoresistanssi kyllästyy nopeasti kentän kasvaessa, koska elektronien taipuma luo nettopotentiaalieron materiaaliin, mikä vastustaa Lorentzin potentiaalia. Tilanne on toinen puolimetalleissa, kuten vismutissa ja grafiitissa, joissa virtaa kuljettavat tasaisesti elektronit ja positiiviset aukot. Vastakkaisiin suuntiin virtaavat vastakkaiset varaukset päätyvät taipumaan samalla tavalla magneettikentän vaikutuksesta, joten nettopotentiaalieroa ei synny ja magneettiresistanssi voi teoriassa kasvaa loputtomasti.

Tässä järjestelmässä magnetoresistanssi riippuu varauksenkuljettajien liikkuvuudesta (niiden taipumuksesta liikkua vasteena käytetylle potentiaalille). Tästä syystä materiaalit, joilla on suurempi kantoaallon liikkuvuus, osoittavat vastakohtaisesti myös korkeampaa magnetoresistanssia. Useimpien puolimetallien magneettiresistanssi putoaa lämpötilan noustessa, koska lämpövärähtely johtaa sirontaan. Magnetoresistanssikokeet suoritetaan siksi yleensä kryogeenisissä olosuhteissa.

Ei bandgappia

Grafeeni tunnetaan kuitenkin poikkeuksellisen korkeasta kantoaaltoliikkuvuudestaan, joka johtuu siitä, että elektronit etenevät massattomina Dirac-fermioneina noin 10 asteessa.⁶ m/s niiden energiasta riippumatta ja sen täydellisen kaistavälin puuttumisen vuoksi. Nyt, Aleksei Berdyugin Singaporen kansallisen yliopiston tutkijat ovat tutkineet, voitaisiinko grafeeniin luoda valtava magnetoresistenssi täyttämällä elektroniset energiatasot täsmälleen siihen pisteeseen, jossa valenssi- ja johtavuuskaistat koskettavat.

”Viritämme Fermi-tason tähän singulaarisuuspisteeseen ja jos lämpötilasi on nollasta poikkeava, tasapainotilassa sinulla on tietty määrä elektroneja virittyneenä valenssikaistalta johtavuuskaistalle jättäen taakseen yhtä paljon positiivisia reikiä. valenssialueella”, Berdyugin selittää.

Grafeenin sähköiset ominaisuudet mittasivat ensimmäisen kerran lähes 20 vuotta sitten Kostya Novoselov ja Andre Geim Manchesterin yliopistosta. 2010 Nobelin fysiikan palkinto. Berdyugin kuitenkin selittää, että kokeet, joissa on koskematonta seostamatonta grafeenia, ovat erittäin vaikeita tehdä. "Et koskaan pääse niin kutsuttuun varausneutraaliuspisteeseen. Sinulla on yhdessä paikassa dopingsaari elektroneilla, toisessa dopingsaari, jossa on reikiä – keskimäärin sinulla on neutraalipiste, mutta itse asiassa se koostuu dopingista grafeenista. Tällaisia ​​tilanteita kutsutaan elektronireikälätäkköiksi." Seuraavien kahden vuosikymmenen aikana grafeenin homogeenisuus on parantunut suuruusluokkaa ja elektronireikälätäköiden koko on sen seurauksena pienentynyt, mutta se on edelleen olemassa.

Dirac nestettä

Kun lämpötilaa nostetaan, dopingin pienet epähomogeenisuudet voivat kuitenkin peittyä lämpövaihteluilla, jolloin syntyy "Dirac-nestettä", jolla on odottamattomia ominaisuuksia, kuten hydrodynaaminen virtaus. Uudessa työssä tutkijat Berdyuginin ryhmästä Singaporessa ja Geimin ryhmästä Manchesterissa, yhdessä Leonid Ponomarenko Lancasterin yliopistossa osoittavat, että tässä tilassa tämän Dirac-nesteen magnetoresistiivisyys huoneenlämpötilassa on 110 % 0.1 T:n magneettikentässä. Sitä vastoin metallit osoittavat harvoin magnetoresistiivisyyttä yli 1 % nestemäisen typen lämpötilaa korkeammalla. magneettikenttä. Grafeenin korkea magnetoresistanssi voi olla hyödyllinen magneettisen havainnoinnin kannalta.

Suuri tunnelin magneettiresistanssi näkyy huoneenlämmössä miniatyyrisoidussa magneettisessa tunneliliitoksessa

Teoreettisesta näkökulmasta mielenkiintoisempaa on Dirac-nesteen käyttäytyminen korkeissa kentissä. Kun klassinen magnetoresistiivisyyden malli ennustaa resistanssin parabolisen kasvun kentänvoimakkuuden myötä, grafeenissa se alkaa kasvaa lineaarisesti. Samanlaisia ​​ilmiöitä on havaittu voimakkaasti vuorovaikutteisissa järjestelmissä, kuten korkean lämpötilan suprajohteissa, ja Nobel-palkittu ehdotti selitystä. Aleksei Abrikosov. Toistaiseksi tätä uteliasta vaikutusta ei kuitenkaan ole ymmärretty kunnolla 3D:ssä, eikä tiedetty, havaittaisiinko se grafeenissa. "Teoria voi ennustaa melkein mitä tahansa", Berdyugin sanoo, "mutta tehdäkseen ennusteita teoreetikkojen on tehtävä olettamuksia, ja joskus kun he kohtaavat todellisuuden, ne eivät pidä paikkaansa. Tässä näytämme teorian oikean tavan tarkastella grafeenin varausneutraaliuspistettä."

Kondensoituneen aineen fyysikko Mark Ku Delawaren yliopiston tutkija on kiinnostunut tutkimuksesta. "Sinällään en sanoisi, että suuri magneettiresistanssi on mielenkiintoisin tai uusin osa", hän sanoo. "En ole varma, sanoisinko sen olevan yllättävää, koska en ole varma, mitä ihmiset todellisuudessa odottivat, mutta on varmasti selvää, ettei ole olemassa nykyistä teoriaa, joka selittäisi heidän havaittuaan magneettiresistanssiaan Dirac-nesteessä… Minusta se on uusinta. osa, koska ihmiset tietävät, että jos heillä on teoria, he voivat verrata sitä kokeiluun."

Tutkimusta kuvataan luonto.  

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/