سورپرایز مغناطیسی در “گرافن با زاویه جادویی” آشکار شد

پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد، به گزارش سایتک دیلی هنگامی که دو ورقه از گرافن نانومواد کربنی در یک زاویه خاص نسبت به یکدیگر روی هم چیده می‌شوند، فیزیک شگفت‌انگیزی ایجاد می‌کند.

به عنوان مثال، هنگامی که این به اصطلاح “گرافن با زاویه جادویی” تا نزدیک به صفر مطلق خنک می شود، ناگهان تبدیل به یک ابررسانا می شود، به این معنی که الکتریسیته را با مقاومت صفر هدایت می کند.

اکنون یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه براون یک پدیده جدید شگفت‌انگیز پیدا کرده‌اند که می‌تواند در گرافن با زاویه جادویی ایجاد شود. در تحقیقی که در مجله Science منتشر شد، این تیم نشان داد که با القای پدیده ای به نام جفت شدن مدار چرخشی، گرافن با زاویه جادویی تبدیل به یک فرومغناطیس قدرتمند می شود.

جیا لی، استادیار فیزیک در براون و نویسنده ارشد این تحقیق می‌گوید:

«مغناطیس و ابررسانایی معمولاً در فیزیک ماده متراکم در دو انتهای طیف قرار دارند و به ندرت پیش می‌آید که در یک پلتفرم ماده ظاهر شوند. با این حال ما نشان داده‌ایم که می‌توانیم مغناطیس را در سیستمی ایجاد کنیم که در اصل میزبان ابررسانایی است. این روشی جدید برای مطالعه تعامل بین ابررسانایی و مغناطیس به ما می دهد و امکانات جدید هیجان انگیزی را برای تحقیقات علوم کوانتومی فراهم می کند.

گرافن با زاویه جادویی

گرافن با زاویه جادویی در سال های اخیر سر و صدای زیادی در فیزیک ایجاد کرده است. آن یک ماده دو بعدی است که از اتم‌های کربن ساخته شده است که به شکل لانه زنبوری چیده شده‌اند. صفحات منفرد گرافن به خودی خود جالب هستند – استحکام مواد قابل توجه و رسانایی الکتریکی بسیار کارآمد را نشان می دهند. اما وقتی صفحات گرافن روی هم چیده می‌شوند، همه چیز جالب‌تر می‌شود. الکترون‌ها نه تنها با الکترون‌های دیگر درون یک صفحه گرافن، بلکه با الکترون‌های موجود در ورق مجاور نیز شروع به تعامل می‌کنند. تغییر زاویه ورقه ها نسبت به یکدیگر این برهمکنش ها را تغییر می دهد. و پدیده های کوانتومی جالبی مانند ابررسانایی را به وجود می آورد.

این تحقیق جدید چین و شیارهای جدیدی – جفت چرخشی مدار – را به این سیستم جالب اضافه می کند. جفت شدن مدار اسپین حالتی از رفتار الکترون در مواد خاصی است که در آن اسپین هر الکترون ( گشتاور مغناطیسی کوچک آن که به سمت بالا یا پایین می رود. )به مدار آن در اطراف هسته اتم مرتبط می شود.

جیانگ-زیازی لین، محقق فوق دکتری در براون و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید:

«می‌دانیم که جفت‌شدن مدار چرخشی طیف گسترده‌ای از پدیده‌های کوانتومی جالب را ایجاد می‌کند. اما معمولاً در گرافن بازاویه جادویی وجود ندارد.» ما می‌خواستیم کوپلینگ مدار چرخشی را معرفی کنیم و سپس ببینیم که چه تأثیری بر سیستم دارد.»

روش کار

برای انجام این کار، لی و تیمش گرافن بازاویه جادویی را با بلوکی از تنگستن دیزلنید، ماده ای که دارای جفت شدن مدار چرخشی قوی است، پیوند دادند. تراز کردن پشته به طور دقیق باعث جفت شدن مدار چرخشی در گرافن می شود. از آنجا، تیم سیستم را با جریان های الکتریکی خارجی و میدان های مغناطیسی بررسی کردند.

آزمایش‌ها نشان داد که جریان الکتریکی در یک جهت در سراسر ماده در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، ولتاژی در جهت عمود بر جریان تولید می‌کند. این ولتاژ، که به عنوان اثر هال شناخته می شود، نشان دهنده یک میدان مغناطیسی ذاتی در ماده است.

با کمال تعجب تیم تحقیقاتی، آنها نشان دادند که حالت مغناطیسی را می توان با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی کنترل کرد. میدان مغناطیسی که یا در صفحه گرافن یا خارج از صفحه قرار دارد. این در تضاد با مواد مغناطیسی بدون جفت چرخشی مدار است. که در آن مغناطیس ذاتی تنها زمانی قابل کنترل است که میدان مغناطیسی خارجی در جهت مغناطیس در یک راستا قرار گیرد.

یاهوی ژانگ، فیزیکدان نظری از دانشگاه هاروارد که با این تیم در براون کار می‌کرد میگوید: «این مشاهدات نشان‌دهنده این است که جفت‌شدن مدار چرخش واقعاً وجود دارد. و سرنخی برای ساخت یک مدل نظری برای درک تأثیر رابط اتمی ارائه می‌کند. برای درک فیزیک مرتبط با مغناطیس مشاهده شده.

کاربردها

ارین موریسیت، دانشجوی فارغ التحصیل براون که برخی از کارهای آزمایشی را انجام داده است، می گوید: «تاثیر منحصر به فرد جفت شدن مدار چرخشی به دانشمندان یک دستگیره آزمایشی جدید می دهد تا تلاش کنند تا رفتار گرافن با زاویه جادویی را درک کنند. “یافته ها همچنین پتانسیلی برای کاربردهای دستگاه های جدید دارند.”

یکی از کاربردهای ممکن در حافظه کامپیوتر است. این تیم دریافت که خواص مغناطیسی گرافن با زاویه جادویی را می توان با میدان های مغناطیسی خارجی و میدان های الکتریکی کنترل کرد. که این سیستم دو بعدی را به یک نامزد ایده آل برای یک دستگاه حافظه مغناطیسی با گزینه های خواندن/نوشتن انعطاف پذیر تبدیل می کند.

به گفته محققان، یکی دیگر از کاربردهای بالقوه در محاسبات کوانتومی است. رابط بین فرومغناطیس و ابررسانا به عنوان یک بلوک ساختمانی بالقوه برای کامپیوترهای کوانتومی پیشنهاد شده است.

با این حال، مشکل این است که ایجاد چنین رابطه ای دشوار است چراکه  آهنرباها به طور کلی برای ابررسانایی مخرب هستند. اما ماده ای که هم قادر به فرومغناطیس و هم ابررسانایی باشد می تواند راهی برای ایجاد آن رابط فراهم کند.

لی گفت: “ما در حال کار روی استفاده از رابط اتمی برای تثبیت ابررسانایی و فرومغناطیس به طور همزمان هستیم.” “همزیستی این دو پدیده در فیزیک نادر است و مطمئناً هیجان بیشتری را باز می کند.”

منبع :  “Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene” by Jiang-Xiazi Lin, Ya-Hui Zhang, Erin Morissette, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone and J. I. A. Li, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abh2889