Une surprise magnétique révélée dans le graphène à «angle magique»

Lorsque deux feuilles de nanoparticules de carbone de graphène sont empilées ensemble à un certain angle l’une par rapport à l’autre, cela donne lieu à une physique assez cool. Par exemple, lorsque le soi-disant « graphène à angle magique » est refroidi à un niveau proche du zéro absolu, il devient soudainement un supraconducteur, ce qui signifie qu’il conduit l’électricité sans résistance.

Maintenant, une équipe de recherche de l’Université Brown a découvert un nouveau phénomène surprenant qui peut survenir dans le graphène à angle magique. Dans une recherche publiée dans le magazine La science, l’équipe a montré qu’en induisant un phénomène appelé couplage spin-orbite, le graphène à angle magique devient un puissant ferromagnétique.

« Le magnétisme et la supraconductivité se trouvent généralement aux extrémités opposées du spectre dans la physique de la matière condensée, et il est rare qu’ils apparaissent dans la même plate-forme matérielle », a déclaré Jia Li, professeur agrégé de physique à Brown et auteur principal de l’article. « Cependant, nous avons montré que nous pouvons créer du magnétisme dans un système qui héberge à l’origine la supraconductivité. Cela nous donne une nouvelle façon d’étudier l’interaction entre la supraconductivité et le magnétisme, et offre de nouvelles possibilités passionnantes pour la recherche en science quantique. »

Le graphène à angle magique a fait sensation en physique ces dernières années. Le graphène est un matériau bidimensionnel composé de atomes de carbone Disposé dans un motif en nid d’abeille. Les feuilles individuelles de graphène sont intéressantes en elles-mêmes – affichant la résistance remarquable du matériau et sa conductivité électrique très efficace. Mais les choses deviennent encore plus excitantes lorsque les feuilles de graphène sont empilées. Les électrons commencent à interagir non seulement avec d’autres électrons dans la feuille de graphène, mais aussi avec ceux de la feuille adjacente. La modification de l’angle des plaques les unes par rapport aux autres modifie ces interactions, donnant lieu à des phénomènes quantiques intéressants tels que la supraconductivité.

Cette nouvelle recherche ajoute une nouvelle ride – le couplage spin-orbite – à ce système déjà intéressant. Le couplage spin-orbite est un état de comportement des électrons dans certains matériaux dans lequel chaque électron – son petit moment magnétique pointant vers le haut ou vers le bas – est lié à son orbite autour du noyau atomique.

« Nous savons que le couplage spin-spin donne lieu à un large éventail de phénomènes quantiques intéressants, mais il n’est généralement pas présent dans le graphène à angle magique », a déclaré Jiang Xiazi Lin, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l’étude. « Nous voulions introduire un couplage spin-orbite, puis voir quel effet il a sur le système. »

Pour ce faire, Lee et son équipe ont lié du graphène à angle magique à un bloc de diséléniure de tungstène, un matériau qui présente un fort couplage spin-orbite. Un alignement précis de la pile conduit à un couplage spin-orbite dans le graphène. De là, l’équipe a vérifié le système avec des courants électriques externes et des champs magnétiques.

Des expériences ont montré qu’un courant électrique circulant dans une direction à travers un matériau en présence d’un champ magnétique externe produit une tension dans la direction perpendiculaire au courant. Cette tension, connue sous le nom d’effet Hall, est un signal révélateur d’un champ magnétique intrinsèque dans le matériau.

À la surprise de l’équipe de recherche, ils ont montré que l’état magnétique peut être contrôlé à l’aide d’un champ magnétique externe, qui est orienté soit dans le plan du graphène, soit hors du plan. Cela contraste avec les matériaux ferromagnétiques sans couplage spin-orbite, où le magnétisme intrinsèque ne peut être contrôlé que lorsque le champ magnétique externe est aligné le long de la direction de magnétisation.

Yahui Chang, un physicien théoricien de l’Université Harvard qui a travaillé avec l’équipe de Brown pour comprendre la physique associée au magnétisme observé.

« L’effet unique du couplage spin-orbite donne aux scientifiques une nouvelle poignée expérimentale pour alimenter les efforts visant à comprendre le comportement du graphène à angle magique », a déclaré Erin Morissette, étudiante diplômée à l’Université Brown qui a mené une partie des travaux expérimentaux. « Les résultats ont également un potentiel pour de nouvelles applications matérielles. »

L’une des applications possibles se trouve dans la mémoire de l’ordinateur. L’équipe a découvert que les propriétés magnétiques de l’angle magique graphène Ils peuvent être contrôlés à la fois par des champs magnétiques externes et des champs électriques. Cela ferait de ce système 2D un candidat idéal pour un dispositif de mémoire magnétique avec des options de lecture/écriture flexibles.

Les chercheurs disent qu’il existe une autre application potentielle dans l’informatique quantique. Une interface entre un ferromagnétique et un supraconducteur a été proposée comme élément de construction potentiel pour les ordinateurs quantiques. Cependant, le problème est qu’une telle interface est difficile à établir car les aimants sont généralement destructeurs de la supraconductivité. Mais une substance capable des deux ferromagnétisme Et la supraconductivité pourrait fournir un moyen de créer cette interface.

« Nous travaillons sur l’utilisation de l’interface atomique pour atteindre la stabilité supraconductivité Lee a déclaré: « Et le ferromagnétisme en même temps. La coexistence de ces deux phénomènes est rare en physique, et elle ouvrira certainement plus d’excitation. »