Magnetoresistenza gigante individuata in grafene quasi incontaminato

Dopo averci stupito con la sua incredibile forza, flessibilità e conduttività termica, il grafene ha ora acquisito un'altra proprietà notevole con la sua magnetoresistenza. Ricercatori a Singapore e nel Regno Unito hanno dimostrato che, nel grafene monostrato quasi incontaminato, la magnetoresistenza a temperatura ambiente può essere di ordini di grandezza superiore rispetto a qualsiasi altro materiale. Potrebbe quindi fornire sia una piattaforma per esplorare la fisica esotica sia potenzialmente uno strumento per migliorare i dispositivi elettronici.

La magnetoresistenza è una variazione della resistenza elettrica in seguito all'esposizione a un campo magnetico. Nel regime classico, la magnetoresistenza nasce perché il campo magnetico curva le traiettorie delle cariche fluenti mediante la forza di Lorentz. Nei metalli tradizionali, in cui la conduzione avviene quasi esclusivamente attraverso il movimento degli elettroni, la magnetoresistenza si satura rapidamente all'aumentare del campo perché la deflessione degli elettroni crea una differenza di potenziale netta attraverso il materiale, che contrasta il potenziale di Lorentz. La situazione è diversa nei semimetalli come il bismuto e la grafite, in cui la corrente è trasportata ugualmente da elettroni e lacune positive. Le cariche opposte che scorrono in direzioni opposte finiscono per essere deviate allo stesso modo dal campo magnetico, quindi non viene generata alcuna differenza di potenziale netta e la magnetoresistenza può teoricamente crescere all'infinito.

In questo regime, la magnetoresistenza dipende dalla mobilità dei portatori di carica (la loro propensione a muoversi in risposta a un potenziale applicato). Controintuitivamente, quindi, i materiali con maggiore mobilità dei portatori mostrano anche una maggiore magnetoresistenza. La magnetoresistenza della maggior parte dei semimetalli diminuisce all'aumentare della temperatura perché la vibrazione termica porta alla dispersione. Gli esperimenti sulla magnetoresistenza vengono solitamente condotti, quindi, in condizioni criogeniche.

Nessun intervallo di banda

Il grafene, tuttavia, è noto per la sua straordinaria mobilità di portatori, che deriva dal fatto che gli elettroni si propagano come fermioni di Dirac privi di massa a circa 10⁶ m/s indipendentemente dalla loro energia, e per la sua completa assenza di bandgap. Ora, Alexey Berdjugin dell'Università Nazionale di Singapore hanno esaminato se è possibile creare un'enorme magnetoresistenza nel grafene riempiendo i livelli di energia elettronica esattamente fino al punto in cui le bande di valenza e di conduzione si toccano.

“Sintonizziamo il livello di Fermi su questo punto di singolarità e, se hai una temperatura diversa da zero, allora all'equilibrio avrai un certo numero di elettroni eccitati dalla banda di valenza alla banda di conduzione, lasciando dietro di sé un numero uguale di lacune positive nella banda di valenza”, spiega Berdyugin.

Le proprietà elettriche del grafene sono state misurate per la prima volta quasi 20 anni fa da Kostya Novoselov e Andre Geim dell'Università di Manchester. Premio Nobel 2010 per la Fisica. Tuttavia, Berdyugin spiega che gli esperimenti che coinvolgono grafene incontaminato non drogato sono molto difficili da fare. “In realtà non si arriva mai al cosiddetto punto di neutralità della carica. Hai un'isola di drogaggio con elettroni in un posto, un'isola di drogaggio con buchi in un altro - in media hai il punto di neutralità ma in realtà è costituito da grafene drogato. Tali situazioni sono indicate come pozzanghere di lacune elettroniche. Nei due decenni successivi, l'omogeneità del grafene è migliorata di ordini di grandezza e la dimensione delle pozzanghere elettrone-lacuna si è conseguentemente ridotta, ma è ancora presente.

Fluido Dirac

Quando la temperatura aumenta, tuttavia, le piccole disomogeneità nel drogaggio possono essere sopraffatte dalle fluttuazioni termiche, producendo un "fluido Dirac" con proprietà inaspettate come il flusso idrodinamico. Nel nuovo lavoro, i ricercatori del gruppo di Berdyugin a Singapore e del gruppo di Geim a Manchester, insieme a Leonid Pomarenko presso l'Università di Lancaster, mostrano che, in questo stato, questo fluido di Dirac mostra una magnetoresistività a temperatura ambiente del 110% in un campo magnetico di 0.1 T. Al contrario, i metalli raramente mostrano magnetoresistività superiore all'1% sopra la temperatura dell'azoto liquido alla stessa temperatura. campo magnetico. L'elevata magnetoresistenza del grafene potrebbe essere potenzialmente utile per il rilevamento magnetico.

La magnetoresistenza a tunnel di grandi dimensioni appare a temperatura ambiente in una giunzione tunnel magnetica miniaturizzata

Più interessante da un punto di vista teorico è il comportamento del fluido di Dirac in campi elevati. Mentre il modello classico di magnetoresistenza prevede un aumento parabolico della resistenza con l'intensità del campo, nel grafene inizia ad aumentare in modo lineare. Fenomeni simili sono stati osservati in sistemi fortemente interagenti come i superconduttori ad alta temperatura, e una spiegazione è stata proposta dal premio Nobel Alexei Abrikosov. Finora, tuttavia, questo curioso effetto non è stato compreso correttamente in 3D e non era noto se sarebbe stato osservato nel grafene. “La teoria può prevedere quasi tutto”, dice Berdyugin, “ma per fare previsioni i teorici devono fare supposizioni, ea volte quando affrontano la realtà non tengono. Qui mostriamo alla teoria il modo corretto di guardare al punto di neutralità della carica del grafene».

Fisico della materia condensata Marco Ku dell'Università del Delaware è incuriosito dalla ricerca. "Di per sé, non direi che la grande magnetoresistenza sia la parte più interessante o nuova", dice. "Non sono sicuro, direi che è sorprendente perché non sono sicuro di cosa si aspettassero effettivamente le persone, ma ciò che è certamente chiaro è che non esiste una teoria attuale per spiegare la loro magnetoresistenza osservata nel fluido di Dirac... Penso che sia la cosa più nuova parte perché le persone sanno che se hanno una teoria, possono confrontarla con l'esperimento.

La ricerca è descritta in Natura.  

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