Các trạng thái điện tử hiếm xuất hiện ở graphene XNUMX lớp – Vật lý Thế giới

Các trạng thái điện tử hiếm xuất hiện ở graphene XNUMX lớp – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: Ngày 13 tháng 2023 năm 7 00:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2420149

Hình minh họa của nghệ sĩ về các electron trong graphene xếp chồng lên nhau, được thể hiện bằng các quả cầu màu hồng và màu xanh tương tác
Khi xếp chồng thành năm lớp theo mô hình hình thoi, graphene có một trạng thái “đa sắt” hiếm có, thể hiện cả từ tính độc đáo lẫn một hành vi điện tử kỳ lạ được gọi là tính thung lũng sắt. (Lịch sự: Sampson Wilcox tại MIT RLE)

Graphene tự hào có nhiều đặc tính đặc biệt, và các nhà nghiên cứu ở Mỹ vừa tìm thấy một đặc tính khác: một trạng thái điện tử hiếm gọi là tính đa sắt có thể tăng gấp đôi lượng thông tin được lưu trữ trong các thiết bị dựa trên graphene trong tương lai. Trạng thái này chỉ xuất hiện khi năm lớp graphene xếp chồng lên nhau, có thể được khai thác để thiết kế các hệ thống lưu trữ dữ liệu tốc độ cao, dung lượng cao và năng lượng cực thấp cho điện toán cổ điển và lượng tử.

Graphene là một tinh thể hai chiều gồm các nguyên tử carbon được sắp xếp theo mô hình tổ ong và một số đặc tính đáng kinh ngạc của nó, chẳng hạn như độ dẫn điện cao và độ bền đặc biệt, đã được công nhận ngay cả trước khi nó được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 2004. Gần đây hơn, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng xếp chồng graphene thành nhiều lớp gây ra một loạt các hành vi điện tử bất thường, bao gồm siêu dẫn  và ban nhạc điện tử “phẳng”.

Một nhóm tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) được dẫn dắt bởi nhà vật lý Long Ju hiện đã thêm vào danh sách các hành vi bất thường của graphene bằng cách chứng minh rằng vật liệu này thể hiện trạng thái đa sắt hiếm khi được xếp thành năm lớp. Cụ thể hơn, graphene năm lớp này thể hiện cả từ tính độc đáo lẫn một loại hành vi điện tử kỳ lạ mà các nhà nghiên cứu gọi là “tính thung lũng sắt”.

Tính sắt và tính đa sắt

Vật liệu sắt là những vật liệu thể hiện sự sắp xếp tự phát các đặc tính điện, từ hoặc cấu trúc của chúng. Ví dụ nổi tiếng nhất về tính chất sắt là tính chất sắt từ, trong đó mô men từ của vật liệu đều hướng theo một hướng, nhưng các loại trật tự sắt khác cũng có thể xảy ra. Ví dụ, trong sắt điện, chính sự phân cực điện tự nó ra lệnh một cách tự phát, trong khi các vật liệu sắt đàn hồi biểu hiện sự biến dạng tự phát.

Tính đa sắt xảy ra khi một số tính chất của vật liệu có trạng thái ưu tiên riêng. Ví dụ, một vật liệu đa sắt từ có thể có mômen từ hướng theo một hướng và điện tích cũng dịch chuyển theo một hướng nhất định. Điều quan trọng là hai hiện tượng này độc lập với nhau.

Những vật liệu như vậy rất thú vị đối với thiết bị điện tử vì chúng có thể tăng gấp đôi lượng thông tin có thể được lưu trữ so với các thiết bị thông thường trong khi hoạt động nhanh hơn nhiều. Điều này là do các miền từ có thể được chuyển đổi bằng điện trường nhanh, năng lượng thấp hơn thay vì bằng dòng điện (một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng và tương đối chậm) như các miền thông thường.

Hành vi phối hợp

Trong tác phẩm mới, được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên, Ju và các đồng nghiệp đã tính toán rằng một loại hành vi phối hợp sẽ xuất hiện trong một cấu trúc gồm năm lớp graphene xếp chồng lên nhau theo mô hình hình thoi. Trong cấu trúc như vậy, các electron chuyển động rất chậm nên chúng tương tác với nhau hiệu quả hơn. Vì điều này, Ju giải thích rằng chúng bắt đầu tương quan và phối hợp thành các trật tự sắt ưu tiên nhất định.

Các thí nghiệm trên graphene năm lớp thực đã ủng hộ giả thuyết này. Trong những nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã đo cách thức các electron trong mẫu của họ phản ứng với điện trường và từ trường tác dụng và phát hiện ra rằng các loại hành vi sắt phối hợp khác nhau đã xuất hiện.

Hành vi đầu tiên trong số này là một dạng từ tính độc đáo trong đó các electron thể hiện chuyển động quỹ đạo phối hợp. Thứ hai liên quan đến cái gọi là thung lũng điện tử của graphene. Trong các vật liệu dẫn điện, các electron có thể chiếm những mức năng lượng nhất định và thung lũng biểu thị mức năng lượng thấp nhất trong số các trạng thái năng lượng này.

Thung lũng hạnh phúc

“Hóa ra, có thể có hai thung lũng trong graphene,” Ju giải thích. “Thông thường, các electron không được ưu tiên ở một trong hai thung lũng và phân bố đều vào cả hai. Nhưng chúng tôi nhận thấy rằng họ bắt đầu phối hợp và thích định cư ở thung lũng này hơn thung lũng kia. Hành vi phối hợp thứ hai này cho thấy đặc tính sắt, kết hợp với từ tính độc đáo của các electron, mang lại cho cấu trúc một trạng thái đa sắt hiếm có.”

Ông cho biết thêm, đây là lần đầu tiên điện tử sắt-thung lũng được quan sát thấy và cũng là lần đầu tiên người ta thấy nó đi kèm với hiện tượng sắt từ độc đáo.

Cả hai tính chất sắt đều có thể được điều khiển bằng điện trường. Điều này có nghĩa là nếu graphene năm lớp được tích hợp vào một chip nhớ chẳng hạn, các thuộc tính điện tử của nó có thể được điều khiển theo hai cách thay vì một, giúp tăng gấp đôi hiệu quả dữ liệu có thể được lưu trữ trong nó so với các vật liệu thông thường. Tuy nhiên, Ju cảnh báo rằng còn nhiều việc phải làm trước khi điều này trở thành hiện thực.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý