В трехслойной структуре графена могут возникать различные экзотические электронные состояния, включая редкую форму магнетизма. Они резко появляются и исчезают при малейших сдвигах в положении слоев.
«У чистого углерода нет магнитных свойств. Однако, как мы выяснили, этого можно добиться, если взять три листа графена и уложить их друг на друга под определенным углом», – рассказал один из авторов работы, профессор Колумбийского университета Мэттью Янкович.
Графен – одиночный слой атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, похожих на пчелиные соты. За получение и изучение первых образцов графена выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.
Два года назад физики из Массачусетского технологического института (MIT) случайно превратили графен в экзотический «изоляторо-сверхпроводник», склеив два кусочка этого материала под определенным углом и получив своеобразный муаровый узор. При таком положении листов графена атомы углерода начинают сильно влиять на то, как движутся электроны внутри всей этой конструкции. Статью с результатами работы ученых опубликовал научный журнал Nature Physics.
Благодаря этому из-за поворота одного из листов графена на определенный угол носители тока начинают двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в сверхпроводниках. При небольших отклонениях от этого угла из-за взаимодействий электронов возникает непреодолимый барьер для других частиц. Вещества, в которых такое происходит, физики называют «изоляторами Мотта».
Магнитный графен
Профессор Янкович и его коллеги обнаружили у подобных материалов еще более удивительные свойства. Они экспериментировали с муаровыми узорами, которые возникают при наложении не двух, а трех листов графена. Накладывая их друг на друга под разными углами, ученые выясняли, как меняются свойства подобных конструкций при изменении угла поворота листов и их положения друг относительно друга.
У трехслойных структур, которые состояли из двух идеально совмещенных слоев графена и наложенного поверх них одиночного листа из этого углеродного материала, ученые обнаружили не только интересные электрические характеристики, но магнитные свойства.
Янкович и его коллеги выяснили, что они возникали в том случае, когда этот одиночный лист был повернут по отношению к двуслойной графеновой структуре на угол в 0,89°. При этом, что интересно, магнитные свойства появлялись только после того, как ученые прикладывали к двуслойной части этой конструкции электрическое поле. При этом если такое же поле прикладывали к одиночному листу, то все магнитные свойства исчезали.
Дальнейшие эксперименты показали, что у этих магнитных свойств была довольно экзотическая природа. Они были связаны не с отдельными электронами, а с большими группами этих частиц. Кроме того ученые обнаружили, что магнитные свойства отдельных областей внутри трехслойного графена можно гибко менять, "накачивая" их дополнительными носителями заряда.
Благодаря этому подобные структуры можно использовать как основу для создания кубитов – элементарных ячеек квантовых компьютеров, и квантовых вычислений, а также новых систем хранения информации с очень большой плотностью записи информации. Таким материалам нужно будет относительно немного энергии для работы.
