В експериментах із затиснутим між листами нітрида бора скрученим двошаровим графеном вдалося спостерігати перехід речовини в магнітний стан. Отриману властивість було підтверджено наявністю аномального ефекту Холла і магнітної гістерези. В даному випадку за це відповідає рідкісне явище - орбітальний ферромагнетизм, пишуть вчені в журналі.
Графен - це одна з аллотропних модифікацій чистого вуглецю, яка являє собою плоскі кристали з шестикутною структурою. Ця речовина має рекордні або екзотичні властивості відразу в декількох категоріях, через що її активно досліджують як з точки зору фундаментальних фізичних властивостей, так і в плані застосовності в технологіях.
Кілька років тому фізики виявили, що в двошаровому графені при повороті шарів на «магічний кут» один відносно одного виникає надпровідність. Це відкриття викликало сплеск інтересу до скрученого графену і його властивостей. З фізичної точки зору це явище в першу чергу пов'язане з виникненням надрешітки, тобто повторюваного муарового візерунка, у вузлах якого шестикутні комірки графена з різних шарів знаходяться строго один над одним, а між якими - не збігаються.
Фізики з США і Японії під керівництвом Девіда Гольдхабер-Гордона (David Goldhaber-Gordon) зі Стенфордського університету спочатку збиралися відтворити отримані раніше іншою групою результати про надпровідність двошарового графена, але виявили принципово нове явище. Виявилося, що при певному рівні заповнення електронних енергетичних зон спостерігався потужний ефект Холла - поява поперечної різності потенціалів при пропусканні через речовину струму. Зазвичай цей ефект виникає в присутності зовнішнього магнітного поля, але в цьому випадку різниця потенціалів виникала без нього. Виходить, що вчені мали справу з аномальним ефектом Холла, а магнітне поле було притаманне самому матеріалу, ферромагнітна природа якого була підтверджена наглядом гістерезису.
Звичайний одношаровий графен характеризується лінійним законом дисперсії електронів, тобто залежністю енергії частинок від імпульсу. При цьому кожна елементарна комірка може містити до двох електронів з різними спинами. Однак у скрученому двошаровому графені виникає плоска енергетична зона, в якій частинки володіють ефективною нульовою енергією, рухаються без взаємодії один з одним і вузлами решітки, що і визначать надпровідні властивості. Кожна елементарна комірка надрешітки може містити вже до чотирьох електронів з парами різних спинових та орбітальних станів.
Тепер вчені з'ясували, що заповнення зони надрешітки на 3/4 забезпечує виникнення магнетизму. Заповнення на три чверті в даному випадку означає не те, що кожна з чотирьох зон заповнена на три чверті, а що організація електронів забезпечує повне заповнення трьох зон, залишаючи четверту повністю порожньою. У такому випадку електрони виявляються поляризовані як по спиновим, так і по орбітальним станам, що в результаті призводить до виникнення потужного аномального ефекту Холла, що і було зафіксовано в експериментах. Однак такий вид магнетизму досить незвичайний, адже в звичайних ферромагнетиках (для яких не характерний аномальний ефект Холла) пов'язаними є тільки спини електронів, а в даному випадку був зафіксований рідкісний тип орбітального ферромагнетизму.
Додаткові дослідження показали, що такі великі зміни у властивостях речовини стали результатом лише двох невеликих відмінностей у технології виготовлення. По-перше, автори розгорнули не тільки один з шарів графену, а й прикріплений до нього із зовнішнього боку шар нітриду бору. По-друге, було обрано злегка більший кут закрутки - 1,2 градуса замість 1,1.
Автори відзначають, що графен і раніше робили магнітним, але до цього подібне досягалося за рахунок включення неоднорідностей або наявності сильної взаємодії з підкладкою з магнітного матеріалу, в той час як в новій роботі це не так. Також, незважаючи на те, що генероване таким графеном магнітне поле досить мало, воно може знайти застосування, наприклад, в області запису інформації, адже мале поле означає можливість дуже щільного розташування магнітних бітів, які не будуть впливати один на одного.
Раніше вчені навчилися отримувати оксид графену без шкоди для навколишнього середовища, відкрили налаштовувану надпровідність тришарового графену, прискорили зростання монокристалів графену осадженням на рідкий метал і запропонували здешевити його виробництво в сотні разів за допомогою кори евкаліпту.