Jättemagnetresistans upptäckt i nästan orörd grafen

Efter att ha förbluffat oss med sin otroliga styrka, flexibilitet och värmeledningsförmåga, har grafen nu skapat ytterligare en anmärkningsvärd egenskap med sin magnetresistens. Forskare i Singapore och Storbritannien har visat att i nästan orörd enskiktsgrafen kan magnetoresistansen vid rumstemperatur vara storleksordningar högre än i något annat material. Det skulle därför kunna ge både en plattform för att utforska exotisk fysik och potentiellt ett verktyg för att förbättra elektroniska enheter.

Magnetresistans är en förändring i elektriskt motstånd vid exponering för ett magnetfält. I den klassiska regimen uppstår magnetoresistans eftersom magnetfältet kröker banorna för strömmande laddningar av Lorentzkraften. I traditionella metaller, där ledning nästan enbart sker genom elektronrörelse, mättas magnetoresistans snabbt när fältet ökar eftersom elektronernas avböjning skapar en nettopotentialskillnad över materialet, vilket motverkar Lorentzpotentialen. Situationen är annorlunda i halvmetaller som vismut och grafit, där strömmen bärs lika av elektroner och positiva hål. Motsatta laddningar som strömmar i motsatta riktningar slutar med att avböjas på samma sätt av magnetfältet, så ingen nettopotentialskillnad genereras och magnetoresistansen kan teoretiskt växa i det oändliga.

I denna regim beror magnetoresistansen på laddningsbärarnas rörlighet (deras benägenhet att röra sig som svar på en pålagd potential). Kontraintuitivt uppvisar därför material med högre bärarmobilitet också högre magnetoresistans. Magnetresistensen hos de flesta halvmetaller sjunker när temperaturen stiger eftersom termiska vibrationer leder till spridning. Experiment på magnetoresistens utförs därför vanligtvis under kryogena förhållanden.

Inget bandgap

Grafen är dock känt för sin utomordentligt höga bärarrörlighet, som uppstår eftersom elektroner fortplantar sig som masslösa Dirac-fermioner vid cirka 10⁶ m/s oavsett deras energi, och för dess fullständiga frånvaro av bandgap. Nu, Alexey Berdyugin från National University of Singapore har tittat på om kolossal magnetoresistans kan skapas i grafen genom att fylla upp de elektroniska energinivåerna exakt till den punkt där valens- och ledningsbanden berörde.

"Vi ställer in Fermi-nivån till denna singularitetspunkt och, om du har en temperatur som inte är noll, kommer du vid jämvikt att ha ett visst antal elektroner exciterade från valensbandet till ledningsbandet, vilket lämnar efter sig lika många positiva hål i valensbandet”, förklarar Berdyugin.

De elektriska egenskaperna hos grafen mättes första gången för nästan 20 år sedan av Kostya Novoselov och Andre Geim från University of Manchester – vilket gav duon 2010 Nobelpriset i fysik. Berdyugin förklarar dock att experiment som involverar orörd odopad grafen är mycket svåra att göra. "Du kommer faktiskt aldrig till den så kallade laddningsneutralitetspunkten. Du har en ö av dopning med elektroner på ett ställe, en ö av dopning med hål på en annan – i genomsnitt har du neutralitetspunkten men i själva verket består den av dopad grafen. Sådana situationer kallas elektronhålspölar." Under de efterföljande två decennierna har homogeniteten hos grafen förbättrats i storleksordningar och storleken på elektronhålspölarna har följaktligen minskat, men den är fortfarande närvarande.

Dirac vätska

När temperaturen höjs kan dock de små inhomogeiteterna i dopningen överväldigas av termiska fluktuationer, vilket ger en "Dirac-vätska" med oväntade egenskaper som hydrodynamiskt flöde. I det nya arbetet har forskare från Berdyugins grupp i Singapore och Geims grupp i Manchester, tillsammans med Leonid Ponomarenko vid University of Lancaster, visar att i detta tillstånd uppvisar denna Dirac-vätska en rumstemperaturmagnetoresistivitet på 110 % i ett magnetfält på 0.1 T. Däremot uppvisar metaller sällan magnetoresistiviteter över 1 % över flytande kväve vid samma temperatur. magnetiskt fält. Grafens höga magnetresistans kan potentiellt vara användbar för magnetisk avkänning.

Stor tunnelmagnetoresistans uppträder vid rumstemperatur i en miniatyriserad magnetisk tunnelövergång

Mer intressant ur ett teoretiskt perspektiv är Dirac-vätskans beteende i höga fält. Medan den klassiska modellen för magnetoresistivitet förutsäger en parabolisk ökning av motståndet med fältstyrkan, börjar den i grafen att öka linjärt. Liknande fenomen har observerats i starkt interagerande system som högtemperatursupraledare, och en förklaring föreslogs av Nobelpristagaren Alexej Abrikosov. Än så länge är dock denna märkliga effekt inte riktigt förstådd i 3D, och om den skulle observeras i grafen var okänt. "Teori kan förutsäga nästan vad som helst", säger Berdyugin, "men för att göra förutsägelser måste teoretiker göra antaganden, och ibland när de möter verkligheten håller de inte. Här visar vi teori det korrekta sättet att se på laddningsneutralitetspunkten för grafen."

Fysiker för kondenserad materia Mark Ku från University of Delaware är fascinerad av forskningen. "I sig själv skulle jag inte säga att den stora magnetoresistansen är den mest intressanta eller nya delen," säger han. "Jag är inte säker på att jag skulle säga att det är förvånande eftersom jag inte är säker på vad folk faktiskt förväntade sig, men vad som verkligen är tydligt är att det inte finns någon aktuell teori som förklarar deras observerade magnetresistens i Dirac-vätskan ... jag tror att det är den mest nya del eftersom folk vet att om de har en teori kan de jämföra den med experimentet."

Forskningen beskrivs i Natur.  

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/