不只有超导,斯坦福物理学家意外发现:石墨烯存在轨道铁磁性
录入日期:2019-7-29
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  有时候,最好的发现发生在科学家们最意想不到的时候。当两片扭曲的石墨烯显示出超导的迹象时,发现该现象的麻省理工物理学家们惊呆了。然而现在,斯坦福大学的物理学家家们已经证明,这种神奇的材料还能产生一种曾经只在理论上梦想过的磁力。

 

 

  这是一种新形式的磁性,它虽然之前出现在科学家的预测中,但却从未见过。研究人员者认为,这种被称为轨道铁磁性(orbital ferromagnetism)的磁性可能会被证明对某些方面的应用很有意义,比如量子计算。该研究小组在7月25日出版的《科学》杂志上描述了他们的发现。
  斯坦福大学的研究人员在试图重现一项在物理学界引发冲击波的发现时无意中发现了这一现象。2018年初,麻省理工学院的大卫·戈德哈伯-戈登研究小组宣布,他们已经成功诱导了一堆两层排列不齐的碳原子,双层石墨烯实现了无电阻导电,这是一种被称为超导的特性。这一发现震惊地证实了近10年前的预测,即石墨烯薄片旋转到一个非常特殊的角度时,会具有超导特性。

 

 

  当石墨烯堆叠和扭曲时,它会形成一个具有重复干涉或莫尔模式的超晶格。“这就像你演奏两个频率略有不同的音调”,此次研究的负责人、斯坦福大学人文科学学院的物理学教授大卫·戈德哈伯-戈登说。“你会感受到两者之间的节拍,这与它们频率之间的差异有关。而石墨烯的故事与此非常相似,当你把两个格子叠在一起,然后扭曲它们,使它们不能完全对齐,于是有趣的事情发生了。”
  物理学家的理论是,当石墨烯旋转到1.1度时,形成的特殊超晶格会导致材料中通常变化的电子能态坍塌,形成他们所说的平带,电子运动的速度会下降到接近于零。这样一来,任何一个电子的运动都变得高度依赖于它附近其他电子的运动。这些相互作用是许多奇异的物质量子态的核心。

 

 

  斯坦福大学这次研究的目标并不是磁性,然而他们的研究成果却出人意料。虽然在这个系统中发现超导很惊人,但大卫·戈德哈伯-戈登期望的似乎更多,他们希望这项研究可以解决更多疑问,斯坦福大学的物理学家们,沿着麻省理工的研究成果再接再厉继续探索。在试图复制重现麻省理工团队的结果时,大卫·戈德哈伯-戈登和他的团队引入了两个看似不重要的改变。
  首先,当将蜂窝状的碳晶格封装在六角形氮化硼的薄层中时,研究人员无意中将其中一层保护层旋转到与扭曲的双层石墨烯接近对齐的位置。事实证明,如果将氮化硼晶格与石墨烯晶格几乎对齐,就会显著改变扭曲的双层石墨烯的电学性质。

 

 

  其次,斯坦福团队故意让两个石墨烯薄片之间的旋转角度超过了1.1度,而是1.17度,因为最近有研究表明,扭曲的石墨烯薄片在制造过程中倾向以更小的角度沉降。戈尔德哈伯-戈登认为,如果他们的目标是1.17度,那么实际扭曲的角度会回到1.1度。然而实验发现很意外,他们发现扭曲角度反而扩大到了1.2度。
  这些微小变化带来的影响,直到斯坦福大学的研究人员开始测试扭曲石墨烯样品的性能时才显现出来。特别是,他们想要研究石墨烯样本的磁性是如何随着扁平带的变化而变化的。扁平带是电子缓慢至接近零的状态集合,电子被充满或被清空。将电子泵入已经冷却至接近绝对零度的样品中,在平带充满四分之三时,他检测到垂直于电流流动的大电压。这种电压被称为霍尔电压,通常只出现在外部磁场存在的情况下。然而在这种情况下,即使外部磁场已经关闭,这种电压仍然存在。
  这种反常的霍尔效应只有在石墨烯样品自身产生内部磁场时才能解释。此外,这种磁场不可能是电子的自旋向上或向下排列对齐的结果,通常磁性材料会出现这种典型状况,所以研究人员推断一定是由于它们的轨道运动协调而产生的。
  大卫·戈德哈伯-戈登对此表示说,,这是已知的第一个石墨烯材料中存在轨道铁磁性的例子,如果磁性是由于自旋极化,你就不会期望看到霍尔效应。我们不仅看到了霍尔效应,而且看到了巨大的霍尔效应。

 

  在量子力学中,轨道磁化是指带电粒子(通常是固体中的电子)轨道运动引起的磁化。“轨道”一词将其与自旋自由度(Mspin)对总磁化强度的贡献区分开来。非零轨道磁化需要破缺的时间反转对称性,这种对称性可以在铁磁性和铁磁性材料中自发发生,也可以在非磁性材料中由外加磁场诱发。
  研究人员估计,扭曲石墨烯样品表面附近的磁场比传统冰箱磁铁弱100万倍左右,但在某些情况下,比如为量子计算机建立内存,这种弱磁场可能是一种优势。磁性双层石墨烯可以用非常低的功率开启,并且可以非常容易地通过电子方式读取。事实上,没有一个大的磁场从材料中向外延伸,这意味着你可以把磁位非常紧密地放在一起,而不用担心干扰。
  大卫·戈德哈伯-戈登的实验室还没有完成对扭曲双层石墨烯的探索。该研究小组计划利用最近改进的制造技术制造更多的样品,以便进一步研究轨道磁性。
  文章来源:科学探探


   

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