Óriási mágneses ellenállást észleltek a szinte érintetlen grafénben

Miután meglepett minket hihetetlen erejével, rugalmasságával és hővezető képességével, a grafén most egy újabb figyelemre méltó tulajdonságot szerzett mágneses ellenállásával. Szingapúri és egyesült királyságbeli kutatók kimutatták, hogy a szinte érintetlen egyrétegű grafénben a szobahőmérsékletű mágneses ellenállás nagyságrendekkel nagyobb lehet, mint bármely más anyagé. Ezért egyrészt platformot jelenthet az egzotikus fizika felfedezéséhez, másrészt pedig potenciálisan eszközt is jelenthet az elektronikai eszközök fejlesztéséhez.

A mágneses ellenállás az elektromos ellenállás változása mágneses tér hatására. A klasszikus rezsimben a mágneses ellenállás azért keletkezik, mert a mágneses tér a Lorentz-erő hatására meggörbíti az áramló töltések pályáját. A hagyományos fémekben, amelyekben a vezetés szinte kizárólag elektronmozgáson keresztül megy végbe, a mágneses ellenállás gyorsan telítődik a tér növekedésével, mivel az elektronok elhajlása nettó potenciálkülönbséget hoz létre az anyagon, ami ellensúlyozza a Lorentz-potenciált. Más a helyzet az olyan félfémeknél, mint a bizmut és a grafit, amelyekben az áramot egyenlő mértékben viszik az elektronok és a pozitív lyukak. Az ellentétes irányú töltéseket a mágneses tér ugyanúgy eltéríti, így nem keletkezik nettó potenciálkülönbség, és a mágneses ellenállás elméletileg korlátlanul nőhet.

Ebben az üzemmódban a mágneses ellenállás a töltéshordozók mobilitásától függ (az alkalmazott potenciál hatására való mozgási hajlamuktól). Az intuitív módon tehát a nagyobb hordozómobilitású anyagok is nagyobb mágneses ellenállást mutatnak. A legtöbb félfém mágneses ellenállása csökken a hőmérséklet emelkedésével, mivel a hőrezgés szóródáshoz vezet. A mágneses ellenállással kapcsolatos kísérleteket ezért általában kriogén körülmények között végzik.

Nincs sávszélesség

A grafén azonban rendkívül nagy hordozómobilitásáról ismert, ami abból adódik, hogy az elektronok tömeg nélküli Dirac-fermionokként terjednek körülbelül 10⁶ m/s energiájuktól függetlenül, és a sávszélesség teljes hiánya miatt. Most, Alekszej Berdyugin A Szingapúri Nemzeti Egyetem kutatói megvizsgálták, hogy létre lehet-e hozni kolosszális mágneses ellenállást a grafénben úgy, hogy az elektronikus energiaszinteket pontosan addig a pontig töltik fel, ahol a vegyérték- és vezetési sáv érintkezik.

„A Fermi-szintet erre a szingularitási pontra hangoljuk, és ha nem nulla hőmérsékletű, akkor egyensúlyi állapotban bizonyos számú elektron gerjesztődik a vegyértéksávból a vezetési sávba, és ugyanannyi pozitív lyukat hagy maga után. a vegyértéksávban” – magyarázza Berdyugin.

A grafén elektromos tulajdonságait közel 20 évvel ezelőtt mérte meg először Kostya Novoselov és Andre Geim, a Manchesteri Egyetem munkatársa. 2010-es fizikai Nobel-díj. Berdyugin azonban elmagyarázza, hogy az érintetlen, adalékolatlan grafénnel végzett kísérleteket nagyon nehéz elvégezni. „Valójában soha nem jut el az úgynevezett töltéssemlegességi pontig. Az egyik helyen az elektronokkal való dopping szigete, a másikon a lyukakkal ellátott doppingsziget – átlagosan megvan a semlegességi pont, de valójában adalékolt grafénből áll. Az ilyen helyzeteket elektronlyuk-tócsáknak nevezik. A következő két évtizedben a grafén homogenitása nagyságrendekkel javult, és ennek következtében az elektronlyuk-tócsák mérete csökkent, de még mindig jelen van.

Dirac folyadék

A hőmérséklet emelésekor azonban az adalékanyag kis inhomogenitásait túlnyomhatják a hőingadozások, és olyan váratlan tulajdonságokkal rendelkező „Dirac-folyadékot” hoznak létre, mint például a hidrodinamikai áramlás. Az új munkában Berdyugin szingapúri és Geim manchesteri csoportjának kutatói, valamint Leonyid Ponomarenko a Lancaster Egyetemen kimutatták, hogy ebben az állapotban ez a Dirac-folyadék szobahőmérsékleten 110%-os mágneses ellenállást mutat 0.1 T mágneses térben. Ezzel szemben a fémek ritkán mutatnak 1%-nál nagyobb mágneses ellenállást a folyékony nitrogén hőmérsékleténél. mágneses mező. A grafén nagy mágneses ellenállása potenciálisan hasznos lehet a mágneses érzékeléshez.

A nagy alagút mágneses ellenállása szobahőmérsékleten megjelenik egy miniatürizált mágneses alagút csomópontban

Elméleti szempontból érdekesebb a Dirac-folyadék viselkedése magas mezőkön. Míg a magnetorezisztivitás klasszikus modellje az ellenállás parabolikus növekedését jósolja a térerővel, addig a grafénben ez lineárisan kezd növekedni. Hasonló jelenségeket figyeltek meg erősen kölcsönható rendszerekben, mint például a magas hőmérsékletű szupravezetők, és a magyarázatot a Nobel-díjas javasolta. Alekszej Abrikosov. Ez a különös hatás azonban egyelőre nem érthető megfelelően 3D-ben, és nem ismert, hogy megfigyelhető lesz-e grafénben. „Az elmélet szinte bármit megjósolhat” – mondja Berdyugin –, de az elméleti szakembereknek feltételezéseket kell tenniük, és néha, amikor szembesülnek a valósággal, nem tartják magukat. Itt megmutatjuk az elméletnek, hogyan nézzük meg a grafén töltéssemlegességi pontját.”

Kondenzált anyag fizikusa Mark Ku a Delaware Egyetem munkatársa érdeklődik a kutatás iránt. „Önmagában nem mondanám, hogy a nagy mágneses ellenállás a legérdekesebb vagy legújszerűbb rész” – mondja. „Nem vagyok benne biztos, hogy meglepőnek mondanám, mert nem vagyok benne biztos, hogy az emberek valójában mire számítottak, de az minden bizonnyal világos, hogy nincs olyan jelenlegi elmélet, amely megmagyarázná a Dirac-folyadékban megfigyelt mágneses ellenállásukat… Szerintem ez a legújszerűbb részben azért, mert az emberek tudják, hogy ha van elméletük, össze tudják hasonlítani a kísérlettel.”

A kutatás leírása a Természet.  

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• A jövő pénzverése – Adryenn Ashley. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/