ความต้านทานสนามแม่เหล็กยักษ์พบในกราฟีนที่เก่าแก่

หลังจากที่ทำให้เราประหลาดใจด้วยความแข็งแกร่ง ความยืดหยุ่น และการนำความร้อนอย่างไม่น่าเชื่อ ตอนนี้ กราฟีนได้เพิ่มคุณสมบัติที่โดดเด่นอีกประการด้วยความต้านทานต่อสนามแม่เหล็ก นักวิจัยในสิงคโปร์และสหราชอาณาจักรได้แสดงให้เห็นว่าในกราฟีนชั้นเดียวที่เก่าแก่เกือบทุกชนิด ความต้านทานต่อสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้องอาจสูงกว่าวัสดุอื่นๆ ดังนั้นจึงสามารถให้ทั้งแพลตฟอร์มสำหรับการสำรวจฟิสิกส์ที่แปลกใหม่และอาจเป็นเครื่องมือสำหรับการปรับปรุงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ความต้านทานแม่เหล็กคือการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานไฟฟ้าเมื่อสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก ในระบบการปกครองแบบคลาสสิก แรงต้านทานแม่เหล็กเกิดขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็กทำให้เส้นโคจรของประจุที่ไหลเป็นเส้นโค้งโดยแรงลอเรนซ์ ในโลหะแบบดั้งเดิม ซึ่งการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นเกือบทั้งหมดผ่านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ความต้านทานแม่เหล็กจะอิ่มตัวอย่างรวดเร็วเมื่อสนามไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เนื่องจากการเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอนสร้างความต่างศักย์สุทธิทั่ววัสดุ ซึ่งสวนทางกับศักย์ลอเรนซ์ สถานการณ์จะแตกต่างกันในสารกึ่งโลหะ เช่น บิสมัทและกราไฟต์ ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะถูกพาโดยอิเล็กตรอนและโฮลบวกอย่างเท่าเทียมกัน ประจุตรงข้ามที่ไหลในทิศทางตรงกันข้ามจะถูกเบี่ยงเบนไปทางเดียวกันโดยสนามแม่เหล็ก ดังนั้นจึงไม่เกิดความต่างศักย์สุทธิและค่าความต้านทานสนามแม่เหล็กสามารถเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีกำหนดในทางทฤษฎี

ในระบอบการปกครองนี้ ความต้านทานสนามแม่เหล็กขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ (แนวโน้มที่จะเคลื่อนที่เพื่อตอบสนองต่อศักยภาพที่ใช้) ดังนั้น ในทางกลับกัน วัสดุที่มีความสามารถในการเคลื่อนที่พาหะสูงกว่าจะแสดงความต้านทานต่อสนามแม่เหล็กที่สูงขึ้นด้วย ความต้านทานสนามแม่เหล็กของสารกึ่งโลหะส่วนใหญ่จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเนื่องจากการสั่นสะเทือนจากความร้อนนำไปสู่การกระเจิง ดังนั้น การทดลองเกี่ยวกับความต้านทานต่อสนามแม่เหล็กมักจะดำเนินการภายใต้สภาวะการแช่แข็ง

ไม่มีผ้าพันแผล

อย่างไรก็ตาม กราฟีนเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีการเคลื่อนที่พาหะสูงเป็นพิเศษ ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนแพร่กระจายเป็น Dirac fermions ที่ไม่มีมวลที่ประมาณ 10⁶ m/s โดยไม่คำนึงถึงพลังงาน และไม่มี bandgap ใดๆ เลย ตอนนี้, อเล็กเซย์ เบอร์ดูกิน แห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ได้พิจารณาว่าสามารถสร้างความต้านทานแม่เหล็กขนาดมหึมาในกราฟีนได้หรือไม่โดยการเติมระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์อย่างแม่นยำจนถึงจุดที่วาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าสัมผัสกัน

“เราปรับระดับ Fermi ไปที่จุดเอกฐานนี้ และถ้าคุณมีอุณหภูมิที่ไม่เป็นศูนย์ เมื่ออยู่ในสภาวะสมดุล คุณจะมีอิเล็กตรอนจำนวนหนึ่งถูกกระตุ้นจากแถบเวเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า โดยเหลือหลุมบวกจำนวนเท่าๆ กันไว้เบื้องหลัง ในแถบวาเลนซ์” Berdyugin อธิบาย

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของกราฟีนได้รับการตรวจวัดครั้งแรกเมื่อเกือบ 20 ปีที่แล้วโดย Kostya Novoselov และ Andre Geim แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ 2010 รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์. อย่างไรก็ตาม Berdyugin อธิบายว่าการทดลองเกี่ยวกับกราฟีนที่ไม่ได้เจือสารบริสุทธิ์นั้นทำได้ยากมาก “คุณไม่เคยไปถึงจุดที่เรียกว่าเป็นกลางของประจุ คุณมีเกาะของการเจือด้วยอิเล็กตรอนในที่หนึ่ง เกาะของการเจือด้วยรูในอีกแห่งหนึ่ง โดยเฉลี่ยแล้วคุณมีจุดความเป็นกลาง แต่ในความเป็นจริงมันประกอบด้วยกราฟีนเจือ สถานการณ์ดังกล่าวเรียกว่าแอ่งน้ำที่มีรูอิเล็กตรอน” ในสองทศวรรษต่อมา ความเป็นเนื้อเดียวกันของกราฟีนได้รับการปรับปรุงตามลำดับความสำคัญ และขนาดของแอ่งน้ำในหลุมอิเล็กตรอนก็ลดลงตามไปด้วย แต่ก็ยังคงมีอยู่

ของเหลวไดแรค

อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ความไม่สม่ำเสมอเพียงเล็กน้อยในยาสลบอาจถูกครอบงำด้วยความผันผวนทางความร้อน ทำให้เกิด "ของไหลไดแรค" ที่มีคุณสมบัติที่คาดไม่ถึง เช่น การไหลของอุทกพลศาสตร์ ในผลงานชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยจากกลุ่มของ Berdyugin ในสิงคโปร์ และกลุ่มของ Geim ในแมนเชสเตอร์ ร่วมกับ ลีโอนิด โปโนมาเรนโก ที่มหาวิทยาลัยแลงคาสเตอร์ แสดงให้เห็นว่าในสถานะนี้ ของเหลว Dirac นี้แสดงค่าความต้านทานสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้องที่ 110% ในสนามแม่เหล็กที่ 0.1 T ในทางตรงกันข้าม โลหะแทบไม่แสดงค่าความต้านทานแม่เหล็กที่สูงกว่า 1% เหนืออุณหภูมิไนโตรเจนเหลวในเวลาเดียวกัน สนามแม่เหล็ก. ความต้านทานต่อสนามแม่เหล็กสูงของกราฟีนอาจมีประโยชน์สำหรับการตรวจจับสนามแม่เหล็ก

ความต้านทานสนามแม่เหล็กในอุโมงค์ขนาดใหญ่ปรากฏขึ้นที่อุณหภูมิห้องในชุมทางอุโมงค์แม่เหล็กขนาดจิ๋ว

ที่น่าสนใจกว่าจากมุมมองทางทฤษฎีคือพฤติกรรมของของไหล Dirac ในทุ่งสูง ในขณะที่แบบจำลองคลาสสิกของสภาพสนามแม่เหล็กทำนายการเพิ่มขึ้นของความต้านทานแบบพาราโบลาพร้อมความแรงของสนาม ในกราฟีนนั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง มีการสังเกตปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันในระบบที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง เช่น ตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง และคำอธิบายนี้เสนอโดยผู้ได้รับรางวัลโนเบล อเล็กซี่ อาบริโคซอฟ. อย่างไรก็ตาม จนถึงตอนนี้ เอฟเฟ็กต์ประหลาดนี้ยังไม่เข้าใจอย่างถูกต้องในแบบ 3 มิติ และไม่ทราบว่าจะถูกสังเกตในกราฟีนหรือไม่ “ทฤษฎีสามารถทำนายได้เกือบทุกอย่าง” Berdyugin กล่าว “แต่ในการทำนายนั้น นักทฤษฎีต้องตั้งสมมติฐาน และบางครั้งเมื่อพวกเขาเผชิญกับความเป็นจริง พวกเขาก็รับไม่ได้ ที่นี่เราแสดงทฤษฎีวิธีที่ถูกต้องในการดูจุดความเป็นกลางของประจุของกราฟีน”

นักฟิสิกส์เรื่องควบแน่น มาร์คคู แห่งมหาวิทยาลัยเดลาแวร์รู้สึกทึ่งกับงานวิจัยชิ้นนี้ “โดยตัวของมันเองแล้ว ผมจะไม่พูดว่าแรงต้านสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เป็นส่วนที่น่าสนใจหรือแปลกใหม่ที่สุด” เขากล่าว “ฉันไม่แน่ใจว่าฉันจะพูดว่ามันน่าประหลาดใจเพราะฉันไม่แน่ใจว่าจริง ๆ แล้วผู้คนคาดหวังอะไร แต่สิ่งที่ชัดเจนอย่างแน่นอนคือไม่มีทฤษฎีใดในปัจจุบันที่จะอธิบายความต้านทานต่อสนามแม่เหล็กที่สังเกตได้ในของเหลว Dirac … ฉันคิดว่านั่นเป็นเรื่องแปลกใหม่ที่สุด ส่วนหนึ่งเป็นเพราะผู้คนรู้ว่าหากมีทฤษฎีก็สามารถเปรียบเทียบกับการทดลองได้”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.  

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตบล็อคเชน Web3 Metaverse ข่าวกรอง ขยายความรู้. เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/