11.01.2022 - Brown University

Magnetische Überraschung in Graphen mit "magischem Winkel" entdeckt

Graphen wird zu einem starken Ferromagneten

Wenn zwei Lagen des Kohlenstoff-Nanomaterials Graphen in einem bestimmten Winkel zueinander gestapelt werden, ergeben sich faszinierende physikalische Effekte. Wenn dieses so genannte "Graphen mit magischem Winkel" auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, wird es plötzlich zu einem Supraleiter, d. h. es leitet Strom mit null Widerstand.

Nun hat ein Forscherteam der Brown University ein überraschendes neues Phänomen entdeckt, das bei Graphen mit magischem Winkel auftreten kann. In einer in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie hat das Team gezeigt, dass Graphen mit magischem Winkel durch ein Phänomen, das als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist, zu einem starken Ferromagneten wird.

"Magnetismus und Supraleitung befinden sich in der Physik der kondensierten Materie normalerweise an den entgegengesetzten Enden des Spektrums, und es ist selten, dass sie in derselben Materialplattform auftreten", sagte Jia Li, Assistenzprofessor für Physik an der Brown University und Hauptautor der Forschungsarbeit. "Wir haben jedoch gezeigt, dass wir Magnetismus in einem System erzeugen können, das ursprünglich Supraleitung beherbergt. Dies gibt uns eine neue Möglichkeit, das Zusammenspiel zwischen Supraleitung und Magnetismus zu untersuchen, und eröffnet spannende neue Möglichkeiten für die quantenwissenschaftliche Forschung."

Graphen mit magischem Winkel hat in den letzten Jahren in der Physik für viel Aufsehen gesorgt. Graphen ist ein zweidimensionales Material aus Kohlenstoffatomen, die in einem wabenartigen Muster angeordnet sind. Einzelne Graphenlagen sind schon für sich genommen interessant - sie weisen eine bemerkenswerte Materialstärke und eine extrem effiziente elektrische Leitfähigkeit auf. Aber noch interessanter wird es, wenn Graphenlagen gestapelt werden. Die Elektronen beginnen nicht nur mit anderen Elektronen innerhalb einer Graphenlage zu interagieren, sondern auch mit denen der benachbarten Lagen. Ändert man den Winkel der Lagen zueinander, so ändern sich diese Wechselwirkungen, was zu interessanten Quantenphänomenen wie der Supraleitung führt.

Die neue Forschungsarbeit fügt diesem ohnehin schon interessanten System ein neues Element hinzu - die Spin-Orbit-Kopplung. Spin-Bahn-Kopplung ist ein Zustand des Elektronenverhaltens in bestimmten Materialien, bei dem der Spin jedes Elektrons - sein winziges magnetisches Moment, das entweder nach oben oder nach unten zeigt - mit seiner Umlaufbahn um den Atomkern verbunden ist.

"Wir wissen, dass die Spin-Bahn-Kopplung zu einer Vielzahl interessanter Quantenphänomene führt, aber in Graphen mit magischem Winkel ist sie normalerweise nicht vorhanden", sagt Jiang-Xiazi Lin, Postdoktorand an der Brown University und Hauptautor der Studie. "Wir wollten die Spin-Bahn-Kopplung einführen und dann sehen, welche Auswirkungen sie auf das System hat".

Zu diesem Zweck verbanden Li und sein Team Graphen mit magischem Winkel mit einem Block aus Wolframdiselenid, einem Material mit starker Spin-Orbit-Kopplung. Durch die präzise Ausrichtung des Stapels wird die Spin-Orbit-Kopplung im Graphen ausgelöst. Anschließend untersuchte das Team das System mit externen elektrischen Strömen und Magnetfeldern.

Die Experimente zeigten, dass ein elektrischer Strom, der in einer Richtung durch das Material fließt, in Gegenwart eines externen Magnetfelds eine Spannung in der Richtung senkrecht zum Strom erzeugt. Diese Spannung, der so genannte Hall-Effekt, ist das verräterische Zeichen für ein dem Material innewohnendes Magnetfeld.

Zur großen Überraschung des Forscherteams konnten sie zeigen, dass der magnetische Zustand durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert werden kann, das entweder in der Ebene des Graphens oder außerhalb der Ebene ausgerichtet ist. Dies steht im Gegensatz zu magnetischen Materialien ohne Spin-Bahn-Kopplung, bei denen der intrinsische Magnetismus nur kontrolliert werden kann, wenn das externe Magnetfeld entlang der Richtung des Magnetismus ausgerichtet ist.

"Diese Beobachtung ist ein Hinweis darauf, dass die Spin-Bahn-Kopplung tatsächlich vorhanden ist, und lieferte den Anhaltspunkt für den Aufbau eines theoretischen Modells, um den Einfluss der atomaren Grenzfläche zu verstehen", so Yahui Zhang, ein theoretischer Physiker von der Harvard University, der mit dem Team an der Brown University zusammenarbeitete, um die mit dem beobachteten Magnetismus verbundene Physik zu verstehen.

"Der einzigartige Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung gibt den Wissenschaftlern einen neuen experimentellen Hebel in die Hand, um das Verhalten von Graphen mit magischem Winkel zu verstehen", sagte Erin Morrissette, eine Brown-Diplomandin, die einen Teil der experimentellen Arbeiten durchführte. "Die Ergebnisse haben auch das Potenzial für neue Geräteanwendungen".

Eine mögliche Anwendung ist der Einsatz in Computerspeichern. Das Team fand heraus, dass die magnetischen Eigenschaften von Graphen mit magischem Winkel sowohl mit externen Magnetfeldern als auch mit elektrischen Feldern gesteuert werden können. Das würde dieses zweidimensionale System zu einem idealen Kandidaten für einen magnetischen Speicher mit flexiblen Lese- und Schreiboptionen machen.

Eine weitere potenzielle Anwendung ist die Quanteninformatik, sagen die Forscher. Eine Schnittstelle zwischen einem Ferromagneten und einem Supraleiter ist als möglicher Baustein für Quantencomputer vorgeschlagen worden. Das Problem ist jedoch, dass es schwierig ist, eine solche Schnittstelle zu schaffen, da Magnete im Allgemeinen die Supraleitung zerstören. Ein Material, das sowohl ferromagnetisch als auch supraleitend sein kann, könnte jedoch eine Möglichkeit bieten, diese Schnittstelle zu schaffen.

"Wir arbeiten daran, die atomare Schnittstelle zu nutzen, um Supraleitung und Ferromagnetismus gleichzeitig zu stabilisieren", so Li. "Die Koexistenz dieser beiden Phänomene ist eine Seltenheit in der Physik, und sie wird sicherlich noch mehr Aufregung hervorrufen.

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