Gigantische magnetoweerstand waargenomen in bijna ongerept grafeen

Na ons te hebben verbaasd met zijn ongelooflijke kracht, flexibiliteit en thermische geleidbaarheid, heeft grafeen nu een andere opmerkelijke eigenschap verworven met zijn magnetoweerstand. Onderzoekers in Singapore en het Verenigd Koninkrijk hebben aangetoond dat de magnetoweerstand bij kamertemperatuur in bijna ongerepte monolaag grafeen ordes van grootte hoger kan zijn dan in enig ander materiaal. Het zou daarom zowel een platform kunnen bieden voor het verkennen van exotische natuurkunde als mogelijk een hulpmiddel voor het verbeteren van elektronische apparaten.

Magnetoweerstand is een verandering in elektrische weerstand bij blootstelling aan een magnetisch veld. In het klassieke regime ontstaat magnetoweerstand omdat het magnetische veld de banen van stromende ladingen kromt door de Lorentz-kracht. In traditionele metalen, waarin geleiding bijna uitsluitend plaatsvindt door elektronenbeweging, verzadigt de magnetoweerstand snel naarmate het veld toeneemt, omdat de afbuiging van de elektronen een netto potentiaalverschil over het materiaal creëert, wat de Lorentz-potentiaal tegenwerkt. De situatie is anders in halfmetalen zoals bismut en grafiet, waarin stroom in gelijke mate wordt gedragen door elektronen en positieve gaten. Tegengestelde ladingen die in tegengestelde richtingen stromen, worden uiteindelijk op dezelfde manier afgebogen door het magnetische veld, dus er wordt geen netto potentiaalverschil gegenereerd en de magnetoweerstand kan theoretisch onbeperkt groeien.

In dit regime hangt de magnetoweerstand af van de mobiliteit van de ladingsdragers (hun neiging om te bewegen als reactie op een aangelegde potentiaal). Daarom vertonen materialen met een hogere mobiliteit van dragers, contra-intuïtief, ook een hogere magnetoweerstand. De magnetoweerstand van de meeste halfmetalen neemt af naarmate de temperatuur stijgt, omdat thermische trillingen tot verstrooiing leiden. Experimenten met magnetoweerstand worden daarom meestal onder cryogene omstandigheden uitgevoerd.

Geen bandgap

Grafeen staat echter bekend om zijn buitengewoon hoge dragermobiliteit, die ontstaat doordat elektronen zich voortplanten als massaloze Dirac-fermionen op ongeveer 10⁶ m/s ongeacht hun energie, en vanwege de volledige afwezigheid van enige bandgap. Nu, Alexey Berdyugin van de Nationale Universiteit van Singapore hebben onderzocht of kolossale magnetoweerstand in grafeen gecreëerd kan worden door de elektronische energieniveaus precies op te vullen tot het punt waar de valentie- en geleidingsbanden elkaar raken.

"We stemmen het Fermi-niveau af op deze singulariteitsplek en als je een temperatuur hebt die niet gelijk is aan nul, dan heb je bij evenwicht een bepaald aantal elektronen geëxciteerd van de valentieband naar de geleidingsband, waarbij een gelijk aantal positieve gaten achterblijft in de valentieband”, legt Berdyugin uit.

De elektrische eigenschappen van grafeen werden bijna 20 jaar geleden voor het eerst gemeten door Kostya Novoselov en Andre Geim van de Universiteit van Manchester. 2010 Nobelprijs voor Natuurkunde. Berdyugin legt echter uit dat experimenten met ongerept ongedoteerd grafeen erg moeilijk zijn. “Je komt eigenlijk nooit op het zogenaamde laadneutraliteitspunt. Je hebt op de ene plek een dopingeiland met elektronen, op een andere plek een dopingeiland met gaten – gemiddeld heb je het neutraliteitspunt maar in feite bestaat het uit gedoteerd grafeen. Dergelijke situaties worden elektron-gatenplassen genoemd.” In de daaropvolgende twee decennia is de homogeniteit van grafeen met ordes van grootte verbeterd en de grootte van de elektron-gatplassen is daardoor kleiner geworden, maar het is nog steeds aanwezig.

Dirac-vloeistof

Wanneer de temperatuur echter wordt verhoogd, kunnen de kleine ongelijkheden in de doping worden overweldigd door thermische fluctuaties, waardoor een "Dirac-vloeistof" ontstaat met onverwachte eigenschappen zoals hydrodynamische stroming. In het nieuwe werk werken onderzoekers van de groep van Berdyugin in Singapore en de groep van Geim in Manchester samen met Leonid Ponomarenko aan de Universiteit van Lancaster, laten zien dat deze Dirac-vloeistof in deze toestand een magnetoresistiviteit bij kamertemperatuur vertoont van 110% in een magnetisch veld van 0.1 T. Daarentegen vertonen metalen zelden magnetoresistiviteiten boven 1% boven de temperatuur van vloeibare stikstof bij dezelfde temperatuur. magnetisch veld. De hoge magnetoweerstand van grafeen kan mogelijk nuttig zijn voor magnetische detectie.

Grote tunnelmagnetoweerstand verschijnt bij kamertemperatuur in een geminiaturiseerde magnetische tunnelovergang

Interessanter vanuit theoretisch perspectief is het gedrag van de Dirac-vloeistof in hoge velden. Terwijl het klassieke model van magnetoresistiviteit een parabolische toename van de weerstand met de veldsterkte voorspelt, begint deze in grafeen lineair toe te nemen. Soortgelijke verschijnselen zijn waargenomen in sterk op elkaar inwerkende systemen zoals supergeleiders bij hoge temperaturen, en een verklaring werd voorgesteld door de Nobelprijswinnaar Aleksej Abrikosov. Tot nu toe wordt dit merkwaardige effect echter niet goed begrepen in 3D, en het was onbekend of het in grafeen zou worden waargenomen. 'Theorie kan bijna alles voorspellen', zegt Berdyugin, 'maar om voorspellingen te doen moeten theoretici aannames doen, en soms houden ze, als ze de realiteit onder ogen zien, niet vast. Hier laten we in theorie de juiste manier zien om naar het ladingsneutraliteitspunt van grafeen te kijken.”

Fysicus van de gecondenseerde materie Mark Ku van de Universiteit van Delaware is geïntrigeerd door het onderzoek. "Op zichzelf zou ik niet zeggen dat de grote magnetoweerstand het meest interessante of nieuwe onderdeel is", zegt hij. "Ik weet niet zeker of ik zou zeggen dat het verrassend is, omdat ik niet zeker weet wat mensen eigenlijk verwachtten, maar wat zeker duidelijk is, is dat er geen huidige theorie is om hun waargenomen magnetoweerstand in de Dirac-vloeistof te verklaren ... Ik denk dat dat het meest nieuwe is deels omdat mensen weten dat als ze een theorie hebben, ze die kunnen vergelijken met het experiment.”

Het onderzoek is beschreven in NATUUR.  

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/