Magnetorezistență uriașă observată în grafen aproape curat

Magnetorezistență uriașă observată în grafen aproape curat

Marca temporală: 20 aprilie 2023 12:09

Ilustrație cu grafen
Material minune: ilustrație cu bile și băț a unei singure foi de grafen. (Cu amabilitatea: Shutterstock/billdayone)

După ce ne-a uimit cu puterea sa incredibilă, flexibilitatea și conductibilitatea termică, grafenul a creat acum o altă proprietate remarcabilă cu magnetorezistenta sa. Cercetătorii din Singapore și Marea Britanie au arătat că, în grafenul monostrat aproape curat, magnetoresistența la temperatura camerei poate fi cu ordine de mărime mai mare decât în ​​orice alt material. Prin urmare, ar putea oferi atât o platformă pentru explorarea fizicii exotice, cât și potențial un instrument pentru îmbunătățirea dispozitivelor electronice.

Magnetorezistența este o modificare a rezistenței electrice la expunerea la un câmp magnetic. În regimul clasic, magnetoresistența apare deoarece câmpul magnetic curbează traiectoriile sarcinilor curgătoare prin forța Lorentz. În metalele tradiționale, în care conducția are loc aproape exclusiv prin mișcarea electronilor, magnetoresistența se saturează rapid pe măsură ce câmpul crește, deoarece deviația electronilor creează o diferență netă de potențial în material, care contracarează potențialul Lorentz. Situația este diferită la semimetale precum bismutul și grafitul, în care curentul este transportat în mod egal de electroni și găuri pozitive. Sarcinile opuse care curg în direcții opuse ajung să fie deviate în același mod de câmpul magnetic, astfel încât nu este generată nicio diferență de potențial netă și magnetoresistența poate crește teoretic la infinit.

În acest regim, magnetoresistența depinde de mobilitatea purtătorilor de sarcină (propensiunea lor de a se mișca ca răspuns la un potențial aplicat). În mod contraintuitiv, prin urmare, materialele cu mobilitate mai mare a purtătorului prezintă și magnetorezistă mai mare. Magnetorezistența majorității semimetalelor scade pe măsură ce temperatura crește, deoarece vibrația termică duce la împrăștiere. Experimentele de magnetorezistă sunt de obicei efectuate, prin urmare, în condiții criogenice.

Fără bandgap

Totuși, grafenul este cunoscut pentru mobilitatea sa extraordinar de mare a purtătorului, care apare deoarece electronii se propagă ca fermioni Dirac fără masă la aproximativ 10.6 m/s indiferent de energia lor și pentru absența completă a oricărui bandgap. Acum, Alexei Berdiugin de la Universitatea Națională din Singapore au analizat dacă magnetoresistența colosală ar putea fi creată în grafen prin umplerea nivelurilor de energie electronică exact până la punctul în care benzile de valență și conducție s-au atins.

„Ajustăm nivelul Fermi la acest punct de singularitate și, dacă aveți o temperatură diferită de zero, atunci la echilibru veți avea un anumit număr de electroni excitați de la banda de valență la banda de conducție, lăsând în urmă un număr egal de găuri pozitive. în banda de valență”, explică Berdyugin.

Proprietățile electrice ale grafenului au fost măsurate pentru prima dată în urmă cu aproape 20 de ani de Kostya Novoselov și Andre Geim de la Universitatea din Manchester 2010 Premiul Nobel pentru Fizică. Cu toate acestea, Berdyugin explică că experimentele care implică grafenul curat nedopat sunt foarte dificil de făcut. „Nu ajungi niciodată la așa-numitul punct de neutralitate a încărcării. Ai o insulă de dopaj cu electroni într-un loc, o insulă de dopaj cu găuri în altul – în medie, ai punctul de neutralitate, dar de fapt constă din grafen dopat. Astfel de situații sunt denumite bălți de găuri de electroni.” În următoarele două decenii, omogenitatea grafenului s-a îmbunătățit cu ordine de mărime și, în consecință, dimensiunea bălților de electroni s-a redus, dar este încă prezentă.

Lichidul Dirac

Când temperatura este ridicată, totuși, micile neomogenități din dopaj pot fi depășite de fluctuațiile termice, producând un „fluid Dirac” cu proprietăți neașteptate, cum ar fi curgerea hidrodinamică. În noua lucrare, cercetătorii din grupul lui Berdyugin din Singapore și grupul lui Geim din Manchester, împreună cu Leonid Ponomarenko de la Universitatea din Lancaster, arată că, în această stare, acest fluid Dirac prezintă o magnetoresistivitate la temperatura camerei de 110% într-un câmp magnetic de 0.1 T. În schimb, metalele prezintă rareori magnetoresistivitati peste 1% peste temperatura azotului lichid la același camp magnetic. Magnetorezistența mare a grafenului ar putea fi utilă pentru detectarea magnetică.

Mai interesant din perspectivă teoretică este comportamentul fluidului Dirac în câmpuri înalte. În timp ce modelul clasic de magnetoresistivitate prezice o creștere parabolică a rezistenței cu puterea câmpului, în grafen începe să crească liniar. Fenomene similare au fost observate în sistemele care interacționează puternic, cum ar fi supraconductorii de temperatură înaltă, iar o explicație a fost propusă de laureatul Nobel. Alexei Abrikosov. Până acum, însă, acest efect curios nu este înțeles corect în 3D și nu se știa dacă ar fi observat în grafen. „Teoria poate prezice aproape orice”, spune Berdyugin, „dar pentru a face predicții teoreticienii trebuie să facă presupuneri și, uneori, când se confruntă cu realitatea, nu le susțin. Aici arătăm teoriei modul corect de a privi punctul de neutralitate a sarcinii al grafenului.”

Fizician al materiei condensate Mark Ku de la Universitatea din Delaware este intrigat de cercetare. „În sine, nu aș spune că magnetoresistența mare este cea mai interesantă sau nouă parte”, spune el. „Nu sunt sigur că aș spune că este surprinzător pentru că nu sunt sigur la ce se așteptau oamenii de fapt, dar ceea ce este clar este că nu există nicio teorie actuală care să explice magnetoresistența lor observată în fluidul Dirac... Cred că acesta este cel mai nou. parte pentru că oamenii știu că, dacă au o teorie, o pot compara cu experimentul.”

Cercetarea este descrisă în Natură.  

Timestamp-ul:

Mai mult de la Lumea fizicii