Gigantyczny magnetoopór zauważony w prawie nieskazitelnym grafenie

Gigantyczny magnetoopór zauważony w prawie nieskazitelnym grafenie

Znacznik czasu: 20 kwietnia 2023 12:09

Ilustracja grafenu
Cudowny materiał: ilustracja z kulką i kijem przedstawiająca pojedynczy arkusz grafenu. (Dzięki uprzejmości: Shutterstock/bildayone)

Po tym, jak zadziwił nas swoją niewiarygodną wytrzymałością, elastycznością i przewodnością cieplną, grafen ma teraz kolejną niezwykłą właściwość dzięki swojej magnetooporności. Naukowcy z Singapuru i Wielkiej Brytanii wykazali, że w przypadku niemal nieskazitelnego jednowarstwowego grafenu magnetoopór w temperaturze pokojowej może być o rząd wielkości wyższy niż w jakimkolwiek innym materiale. Może zatem stanowić zarówno platformę do badania egzotycznej fizyki, jak i potencjalnie narzędzie do ulepszania urządzeń elektronicznych.

Magnetoopór to zmiana oporu elektrycznego pod wpływem pola magnetycznego. W reżimie klasycznym magnetoopór powstaje, ponieważ pole magnetyczne zakrzywia trajektorie przepływających ładunków przez siłę Lorentza. W tradycyjnych metalach, w których przewodzenie zachodzi prawie wyłącznie poprzez ruch elektronów, magnetoopór szybko nasyca się wraz ze wzrostem pola, ponieważ odchylenie elektronów tworzy różnicę potencjałów netto w całym materiale, która przeciwdziała potencjałowi Lorentza. Inaczej jest w przypadku półmetali, takich jak bizmut i grafit, w których prąd jest przenoszony w równym stopniu przez elektrony i dodatnie dziury. Przeciwne ładunki płynące w przeciwnych kierunkach są ostatecznie odchylane w ten sam sposób przez pole magnetyczne, więc nie powstaje żadna różnica potencjałów netto, a magnetoopór może teoretycznie rosnąć w nieskończoność.

W tym reżimie magnetoopór zależy od ruchliwości nośników ładunku (ich skłonności do poruszania się w odpowiedzi na przyłożony potencjał). Dlatego wbrew intuicji materiały o większej ruchliwości nośników wykazują również wyższy magnetoopór. Magnetoopór większości półmetali spada wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ wibracje termiczne prowadzą do rozpraszania. Eksperymenty z magnetooporem są więc zwykle przeprowadzane w warunkach kriogenicznych.

Brak pasma wzbronionego

Grafen jest jednak znany ze swojej niezwykle wysokiej ruchliwości nośników, która powstaje, ponieważ elektrony rozchodzą się jako bezmasowe fermiony Diraca przy około 106 m/s niezależnie od ich energii i za całkowity brak pasma wzbronionego. Teraz, Aleksiej Berdyugin z National University of Singapore przyjrzeli się, czy kolosalny magnetoopór można wytworzyć w grafenie, wypełniając poziomy energii elektronowej dokładnie do punktu, w którym stykają się pasma walencyjne i przewodnictwa.

„Dostrajamy poziom Fermiego do tego punktu osobliwości, a jeśli masz niezerową temperaturę, to w stanie równowagi będziesz mieć pewną liczbę elektronów wzbudzonych z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, pozostawiając równą liczbę dodatnich dziur w paśmie walencyjnym”, wyjaśnia Berdyugin.

Właściwości elektryczne grafenu zostały po raz pierwszy zmierzone prawie 20 lat temu przez Kostyę Novoselova i Andre Geima z Uniwersytetu w Manchesterze. 2010 Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki. Jednak Berdyugin wyjaśnia, że ​​eksperymenty z nieskazitelnym niedomieszkowanym grafenem są bardzo trudne do przeprowadzenia. „Nigdy tak naprawdę nie dochodzi do tak zwanego punktu neutralności ładunku. Masz wyspę domieszkowaną elektronami w jednym miejscu, wyspę domieszkowaną dziurami w innym – średnio masz punkt neutralności, ale tak naprawdę składa się on z domieszkowanego grafenu. Takie sytuacje nazywane są kałużami elektronowo-dziurowymi”. W ciągu następnych dwóch dekad jednorodność grafenu poprawiła się o rzędy wielkości, a rozmiar kałuży elektron-dziura w konsekwencji zmniejszył się, ale nadal jest obecny.

Płyn Diraca

Kiedy jednak temperatura wzrasta, niewielkie niejednorodności domieszkowania mogą zostać pokonane przez fluktuacje termiczne, tworząc „płyn Diraca” o nieoczekiwanych właściwościach, takich jak płynięcie hydrodynamiczne. W nowej pracy naukowcy z grupy Berdyugina w Singapurze i grupy Geima w Manchesterze wraz z Leonid Ponomarenko na Uniwersytecie w Lancaster pokazują, że w tym stanie ten płyn Diraca wykazuje magnetorezystywność w temperaturze pokojowej na poziomie 110% w polu magnetycznym 0.1 T. Natomiast metale rzadko wykazują magnetorezystywność powyżej 1% powyżej temperatury ciekłego azotu w tym samym pole magnetyczne. Wysoka magnetorezystancja grafenu może być potencjalnie przydatna do wykrywania magnetycznego.

Bardziej interesujące z teoretycznego punktu widzenia jest zachowanie się płynu Diraca w wysokich polach. Podczas gdy klasyczny model magnetorezystywności przewiduje paraboliczny wzrost oporu wraz z natężeniem pola, w grafenie zaczyna on rosnąć liniowo. Podobne zjawiska zaobserwowano w układach silnie oddziałujących, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe, a wyjaśnienie zaproponował noblista Aleksiej Abrikosow. Jak dotąd jednak ten ciekawy efekt nie został właściwie zrozumiany w 3D i nie wiadomo, czy można go zaobserwować w grafenie. „Teoria może przewidzieć prawie wszystko”, mówi Berdyugin, „ale aby przewidywać, teoretycy muszą przyjmować założenia, a czasami, gdy mierzą się z rzeczywistością, nie trzymają się ich. Tutaj pokazujemy teorii właściwy sposób patrzenia na punkt neutralności ładunku grafenu”.

Fizyk materii skondensowanej Marek Ku z University of Delaware jest zaintrygowany badaniami. „Sam w sobie nie powiedziałbym, że duży magnetoopór jest najbardziej interesującą lub nowatorską częścią” – mówi. „Nie jestem pewien, czy powiedziałbym, że to zaskakujące, ponieważ nie jestem pewien, czego ludzie naprawdę się spodziewali, ale z pewnością jasne jest to, że nie ma obecnie żadnej teorii wyjaśniającej obserwowany przez nich magnetoopór w płynie Diraca… Myślę, że to najbardziej nowatorskie po części dlatego, że ludzie wiedzą, że jeśli mają teorię, mogą porównać ją z eksperymentem”.

Badania opisano w Natura.  

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki