Написано AZoNano 5 марта 2020 [194545900]

Графен был открыт в 2004 и с того времени, исследователи смотрели на это по-разному атомно тонкий и одаренный двумерный (2D) материал для работы.

Графен тоньше одной нити ДНК, но в 200 раз прочнее стального. Он также является отличным проводником тепла и электричества и может адаптироваться к любой форме, от электронной схемы до ультратонкого 2D листа.

В прошлом году исследовательская группа во главе с Фен Ваном преподавателем в Отделе материаловедения в лаборатории Беркли и профессором физики в Калифорнийском университете в Беркли было создано новое многозадачное графеновое устройство которое превращается из сверхпроводника в изолятор и превращается в сверхпроводник. Сверхпроводник эффективно проводит электричество, а изолятор сопротивляется потоку электричества.

Как описано в журнале Nature недавно, ученые использовали талант графеновой системы для совмещения трех свойств, а не двух общеизвестных свойств – то есть изолирующий, сверхпроводящий и разновидность магнетизма, известного как ферромагнетизм.

Многозадачное графеновое устройство может проложить путь к новым физическим экспериментам, таким как исследование в поисках электрической цепи для следующего поколения и более быстрой электроники, например, квантовых вычислений технологии.

До настоящего времени материалы, одновременно демонстрирующие сверхпроводящие, изолирующие и магнитные свойства, были очень редкими. И большинство людей полагало, что было бы трудно вызвать магнетизм в графене, потому что он обычно не магнитный. Наша графеновая система первой объединила все три свойства в одном образце.

Гуоруй Чен, ведущий автор исследования, Университет Калифорнии, Беркли

Чен также постдокторский исследователь в группе сверхбыстрой нанооптики Вана в Калифорнийском университете, Беркли (Калифорнийский университет в Беркли).

Использование электричества для включения скрытого потенциала графена

Графен обладает большим потенциалом в области электроники. Атомно тонкая структура материала вместе с его мощной термической и электронной проводимостью « может предложить уникальное преимущество в разработке электроники следующего поколения и устройств хранения памяти », – добавил Чен, который также работал в качестве доктора наук. исследователь в отделе материаловедения лаборатории Беркли во время исследования.

Проблема заключается в том, что магнитные материалы, которые в настоящее время используются в электронике, состоят из ферромагнитных металлов, таких как кобальт или железные сплавы.

Ферромагнитные материалы подобны обычному стержневому магниту и имеют южный и северный полюс. Когда такие материалы используются для хранения данных на жестком диске компьютера, северный и южный полюсы указывают в направлении вверх или вниз, представляя нули и единицы, известные как биты.

С другой стороны, графен сделан из углерода и не состоит из магнитного металла. Поэтому исследователи разработали изобретательский альтернативный подход.

В итоге они разработали ультратонкое устройство толщиной всего 1 нм, содержащее три слоя атомарно тонкого графена. Когда эти графеновые слои плотно упакованы между двумерными слоями нитрида бора, они образуют повторяющийся узор, известный как сверхрешетка муара. Эти графеновые слои описаны как трехслойный графен в исследованиях.

Когда через ворота устройства графена подавалось электрическое напряжение, электрическая сила толкала электроны в устройстве и позволяла им вращаться в одном направлении, подобно небольшим автомобилям, движущимся вокруг дорожки. Это создало мощный импульс, который превратил графеновое устройство в ферромагнитную систему.

Дальнейшие измерения показали замечательный новый набор характеристик: внутренняя часть графеновой системы стала магнитной и изолирующей; и независимо от магнетизма, внешние края графеновой системы превращались в электронные каналы тока, которые сдвигаются без каких-либо признаков сопротивления. Подобные свойства определяют исключительный класс изоляторов, называемых изоляторами Черна, утверждают ученые.

Другим аспектом, который был еще более удивительным, были расчеты, которые показали, что графеновое устройство имеет два проводящих ребра, а не только один. Эти расчеты были сделаны соавтором Я-Хуэй Чжаном из Массачусетского технологического института. Это открытие делает это графеновое устройство первым наблюдаемым «черновым изолятором высокого порядка», результатом устойчивых взаимодействий между электронами в трехслойном графене.

Исследователи искали изоляторы Черна в области исследований, называемой топологией, которая анализирует уникальные состояния вещества. Изоляторы Черна предоставляют новые возможные способы использования информации в квантовом компьютере, в котором данные хранятся в квантовых битах, также известных как кубиты. Кубит может указывать ноль, единицу или состояние, когда он одновременно является нулем и единицей.

Наше открытие демонстрирует, что графен является идеальной платформой для изучения различной физики, от физики одночастичных частиц до сверхпроводимости, а теперь и топологической физики, для изучения квантовых фаз вещества в двумерных материалах. Интересно, что теперь мы можем исследовать новую физику в крошечном устройстве толщиной всего в одну миллионную миллиметра.

Гуоруй Чен, ведущий автор исследования, Университет Калифорнии, Беркли

Ученые надеются провести дополнительные эксперименты со своим графеновым устройством, чтобы глубже понять эволюцию чернского изолятора / магнита и механику его уникальных свойств.

Ученые из Стэнфордского университета; Лаборатория Беркли; Калифорнийский университет в Беркли; Массачусетский Технологический Институт; SLAC Национальная ускорительная лаборатория; Китайский Шанхайский университет Цзяо Тонг, Центр совместных инновационных разработок микроструктур, Японский национальный институт материаловедения; и Университет Фудан принял участие в исследовании.

Исследование финансировалось Центром по новым путям к квантовой когерентности в материалах Исследовательским центром энергетических границ, финансируемым Министерством энергетики США, Управление науки.

Источник: https://www.lbl.gov/[19459006ustoms