「マジックアングル」グラフェンで明らかにされた磁気サプライズ–

カーボンナノマテリアルグラフェンの2枚のシートが互いに特定の角度で一緒に積み重ねられるとき、それはいくつかの魅力的な物理学を引き起こします。 たとえば、このいわゆる「マジック角グラフェン」が絶対零度近くまで冷却されると、突然超伝導体になり、抵抗がゼロの電気を伝導します。

現在、ブラウン大学の研究チームは、マジック角グラフェンで発生する可能性のある驚くべき新しい現象を発見しました。 ジャーナルに掲載された研究で 化学、チームは、スピン軌道相互作用として知られる現象を誘発することにより、マジック角グラフェンが強力な強磁性体になることを示しました。

「磁性と超伝導は通常、物性物理学のスペクトルの反対側にあり、同じ物質プラットフォームに現れることはめったにありません」と、ブラウンの物理学の助教授であり、研究の上級著者であるJiaLiは述べています。 「それでも、元々超伝導をホストするシステムで磁気を作り出すことができることを示しました。これは、超伝導と磁気の相互作用を研究する新しい方法を提供し、量子科学研究に刺激的な新しい可能性を提供します。」

マジック角グラフェンは、近年、物理学に大きな反響を呼んでいます。 グラフェンは、ハニカム状に配置された炭素原子からなる二次元材料です。 グラフェンの1枚のシートは、それ自体が興味深いものです。優れた材料強度と非常に効率的な電気コンダクタンスを示します。 しかし、グラフェンシートを積み重ねると、さらに興味深いものになります。 電子は、グラフェンシート内の他の電子だけでなく、隣接するシート内の電子とも相互作用し始めます。 シートの互いの角度を変えると、それらの相互作用が変わり、超伝導のような興味深い量子現象が生じます。

この新しい研究は、このすでに興味深いシステムに新しいしわ(スピン軌道相互作用)を追加します。 スピン軌道相互作用は、特定の材料における電子の振る舞いの状態であり、各電子のスピン(上または下を指す小さな磁気モーメント)が原子核の周りの軌道にリンクされるようになります。

ブラウンのポスドク研究員で研究の筆頭著者であるJiang-XiaziLinは、次のように述べています。 「スピン軌道相互作用を導入して、それがシステムにどのような影響を与えたかを確認したかったのです。」

それを行うために、Liと彼のチームは、魔法の角度のグラフェンを、強力なスピン軌道結合を持つ材料である二セレン化タングステンのブロックとインターフェースさせました。 スタックを整列させると、グラフェンにスピン軌道結合が正確に誘導されます。 そこから、チームは外部電流と磁場でシステムを調査しました。

実験は、外部磁場の存在下で材料を横切って一方向に流れる電流が、電流に垂直な方向に電圧を生成することを示した。 ホール効果として知られるその電圧は、材料に内在する磁場の明らかな特徴です。

研究チームの驚いたことに、彼らは、グラフェンの面内または面外のいずれかに向けられた外部磁場を使用して、磁気状態を制御できることを示しました。 これは、外部磁場が磁気の方向に沿って整列している場合にのみ固有の磁気を制御できるスピン軌道結合のない磁性材料とは対照的です。

「この観察結果は、スピン軌道結合が実際に存在し、原子界面の影響を理解するための理論モデルを構築するための手がかりを提供したことを示しています」と、ブラウンのチームと協力したハーバード大学の理論物理学者、YahuiZhangは述べています。観測された磁気に関連する物理学を理解する。

「スピン軌道相互作用のユニークな影響により、科学者はマジックアングルグラフェンの振る舞いを理解するための新しい実験ノブを回すことができます」と、実験作業の一部を行ったブラウンの大学院生であるエリンモリセッテは述べています。 「調査結果には、新しいデバイスアプリケーションの可能性もあります。」

考えられるアプリケーションの1つは、コンピュータのメモリです。 チームは、マジック角グラフェンの磁気特性が外部磁場と電場の両方で制御できることを発見しました。 そのため、この2次元システムは、柔軟な読み取り/書き込みオプションを備えた磁気メモリデバイスの理想的な候補になります。

別の潜在的なアプリケーションは、量子コンピューティングにあります、と研究者は言います。 量子コンピューターの潜在的な構成要素として、強磁性体と超伝導体の間のインターフェースが提案されています。 しかし、問題は、磁石は一般に超伝導を破壊するため、このようなインターフェースを作成するのが難しいことです。 しかし、強磁性と超伝導の両方が可能な材料は、そのインターフェースを作成する方法を提供する可能性があります。

「私たちは、超伝導と強磁性を同時に安定させるために、原子界面の使用に取り組んでいます」とLi氏は述べています。 「これらの2つの現象の共存は物理学ではまれであり、それは確かにより多くの興奮を解き放つでしょう」

研究は主にブラウン大学によってサポートされていました。 追加の共著者は、Ya-Hui Zhang、Zhi Wang、Song Liu、Daniel Rhodes、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、JamesHoneです。

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