Quando strati di grafene ad "angolo magico" (in basso) entrano in contatto con strati di alcuni metalli di transizione, si provoca un fenomeno chiamato accoppiamento spin-orbita negli strati di grafene. Questo fenomeno dà origine a una fisica sorprendente, compreso il ferromagnetismo. Credito:Li Lab / Brown University
Quando due fogli di grafene nanomateriale di carbonio sono impilati insieme ad un angolo particolare l'uno rispetto all'altro, si dà origine a una fisica affascinante. Ad esempio, quando questo cosiddetto "grafene ad angolo magico" viene raffreddato quasi allo zero assoluto, diventa improvvisamente un superconduttore, il che significa che conduce elettricità con resistenza zero.
Ora, un gruppo di ricerca della Brown University ha scoperto un nuovo sorprendente fenomeno che può sorgere nel grafene ad angolo magico. Nella ricerca pubblicata sulla rivista Scienza , il team ha dimostrato che, inducendo un fenomeno noto come accoppiamento spin-orbita, il grafene ad angolo magico diventa un potente ferromagnete.
"Il magnetismo e la superconduttività sono solitamente agli estremi opposti dello spettro nella fisica della materia condensata, ed è raro che appaiano nella stessa piattaforma materiale", ha affermato Jia Li, assistente professore di fisica alla Brown e autore senior della ricerca. "Eppure abbiamo dimostrato che possiamo creare magnetismo in un sistema che originariamente ospita la superconduttività. Questo ci offre un nuovo modo di studiare l'interazione tra superconduttività e magnetismo e offre nuove entusiasmanti possibilità per la ricerca scientifica quantistica."
Il grafene ad angolo magico ha suscitato molto scalpore nella fisica negli ultimi anni. Il grafene è un materiale bidimensionale costituito da atomi di carbonio disposti a nido d'ape. I singoli fogli di grafene sono interessanti di per sé, poiché mostrano una notevole resistenza del materiale e una conduttanza elettrica estremamente efficiente. Ma le cose diventano ancora più interessanti quando i fogli di grafene vengono impilati. Gli elettroni iniziano a interagire non solo con altri elettroni all'interno di un foglio di grafene, ma anche con quelli nel foglio adiacente. Cambiare l'angolo dei fogli l'uno rispetto all'altro cambia quelle interazioni, dando origine a interessanti fenomeni quantistici come la superconduttività.
Questa nuova ricerca aggiunge una nuova ruga - accoppiamento spin-orbita - a questo sistema già interessante. L'accoppiamento spin-orbita è uno stato di comportamento degli elettroni in alcuni materiali in cui lo spin di ogni elettrone, il suo minuscolo momento magnetico che punta verso l'alto o verso il basso, viene collegato alla sua orbita attorno al nucleo atomico.
"Sappiamo che l'accoppiamento spin-orbita dà origine a un'ampia gamma di interessanti fenomeni quantistici, ma normalmente non è presente nel grafene ad angolo magico", ha affermato Jiang-Xiazi Lin, ricercatore post-dottorato presso Brown e autore principale dello studio. "Volevamo introdurre l'accoppiamento spin-orbita e poi vedere che effetto ha avuto sul sistema."
Per fare ciò, Li e il suo team hanno interfacciato il grafene ad angolo magico con un blocco di diseleniuro di tungsteno, un materiale che ha un forte accoppiamento spin-orbita. L'allineamento preciso dello stack induce l'accoppiamento spin-orbita nel grafene. Da lì, il team ha sondato il sistema con correnti elettriche esterne e campi magnetici.
Gli esperimenti hanno mostrato che una corrente elettrica che scorre in una direzione attraverso il materiale in presenza di un campo magnetico esterno produce una tensione nella direzione perpendicolare alla corrente. Quella tensione, nota come effetto Hall, è la firma rivelatrice di un campo magnetico intrinseco nel materiale.
Con grande sorpresa del team di ricerca, hanno dimostrato che lo stato magnetico può essere controllato utilizzando un campo magnetico esterno, che è orientato nel piano del grafene o fuori piano. Ciò è in contrasto con i materiali magnetici senza accoppiamento spin-orbita, dove il magnetismo intrinseco può essere controllato solo quando il campo magnetico esterno è allineato lungo la direzione del magnetismo.
"Questa osservazione è un'indicazione che l'accoppiamento spin-orbita è effettivamente presente e ha fornito l'indizio per costruire un modello teorico per comprendere l'influenza dell'interfaccia atomica", ha affermato Yahui Zhang, un fisico teorico dell'Università di Harvard che ha lavorato con il team di Brown per comprendere la fisica associata al magnetismo osservato.
"L'influenza unica dell'accoppiamento spin-orbita offre agli scienziati una nuova manopola sperimentale da girare nello sforzo di comprendere il comportamento del grafene dell'angolo magico", ha affermato Erin Morrissette, una studentessa laureata di Brown che ha eseguito parte del lavoro sperimentale. "I risultati hanno anche il potenziale per nuove applicazioni per dispositivi."
Una possibile applicazione è nella memoria del computer. Il team ha scoperto che le proprietà magnetiche del grafene ad angolo magico possono essere controllate sia con campi magnetici esterni che con campi elettrici. Ciò renderebbe questo sistema bidimensionale un candidato ideale per un dispositivo di memoria magnetica con opzioni di lettura/scrittura flessibili.
Un'altra potenziale applicazione è nell'informatica quantistica, affermano i ricercatori. Un'interfaccia tra un ferromagnete e un superconduttore è stata proposta come potenziale elemento costitutivo per i computer quantistici. Il problema, tuttavia, è che una tale interfaccia è difficile da creare perché i magneti sono generalmente distruttivi per la superconduttività. Ma un materiale capace sia di ferromagnetismo che di superconduttività potrebbe fornire un modo per creare quell'interfaccia.
"Stiamo lavorando per utilizzare l'interfaccia atomica per stabilizzare la superconduttività e il ferromagnetismo allo stesso tempo", ha detto Li. "La coesistenza di questi due fenomeni è rara in fisica e sbloccherà sicuramente più eccitazione". + Esplora ulteriormente
