Графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, расположенных в гексагональной решётке, является широко используемым материалом, известным своими выдающимися электрическими и механическими свойствами. Когда графен укладывается в так называемый ромбоэдрический (то есть ABC) узор, появляются новые электронные свойства, включая настраиваемую зонную структуру и нетривиальную топологию.
Из-за этих свойств электроны в ромбоэдрическом графене могут вести себя так, будто на них воздействуют «скрытые» магнитные поля, даже если на них не воздействуют никакие магнитные поля. Хотя этот интересный эффект хорошо документирован, детальное изучение того, как электроны организуются в материале, с их спинами и состояниями долины, направленными в разные стороны, до сих пор представляло собой сложную задачу.
Исследование наномагнетизма в ромбоэдрическом графене
Исследователи из Института науки Вейцмана недавно решили изучить локальные текстуры намагниченности в ромбоэдрическом графене, используя наномасштабное сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (nano-SQUID). Их статья, опубликованная в Nature Physics, предлагает новое понимание физических процессов, управляющих коррелированными состояниями, ранее наблюдавшимися в материале.
Профессор Эли Зельдов, руководитель группы и старший автор статьи, сказал Phys.org: «Наша работа началась с простого вопроса: как четыре изоспиновых состояния (два спина, две долины) магнитно упорядочиваются в ромбоэдрическом многослойном графене в отсутствие внешнего магнитного поля при низкой температуре?»
В этих системах большая плотность состояний способствует стонеровской нестабильности, которая снимает четырёхкратное вырождение номинального металлического состояния, создавая полуметаллические (двухкратные) и четвертьметаллические (однократные) фазы при уменьшении плотности носителей заряда. Эти металлы с нарушенной симметрией перспективны для энергонезависимой памяти и являются плодотворной ареной для коррелированной физики, поэтому важно определить их магнитные текстуры и лежащие в их основе энергетические шкалы взаимодействия электронов.
Большинство более ранних исследований, направленных на раскрытие изоспиновой текстуры ромбоэдрического графена, опирались на объёмные зонды с высоким магнитным полем. Эти зонды могут идентифицировать вырождения изоспина в материалах, но не дают большого представления о локальной магнитной анизотропии и лежащих в её основе энергетических масштабах взаимодействия при магнитном поле, близком к нулю.
В рамках своего исследования группа профессора Зельдова использовала наконечник с nano-SQUID, который по сути представляет собой крошечный, но сверхчувствительный сверхпроводящий датчик, встроенный в вершину острой пипетки. Этот датчик, работающий при температурах в милликельвинах, позволил им впервые напрямую визуализировать изоспиновые магнитные текстуры в многослойном графене.
«Мы сканировали на высоте в несколько сотен нанометров над устройствами с двойным затвором в ромбоэдрическом тетраслое графена внутри векторного магнитного поля», — объяснил доктор Суражит Датта, соавтор статьи. «Датчик чрезвычайно чувствителен и способен измерять напряжённость магнитного поля вплоть до 10 нанотесла. Чтобы получить магнитный рисунок, мы модулировали плотность электронов, прикладывая небольшие переменные напряжения к затворам. Это небольшое изменение плотности меняет намагниченность образца, что, в свою очередь, создаёт локальное переменное паразитное магнитное поле, обнаруживаемое с помощью SQUID-на-наконечнике».
Исследователи впервые получили экспериментальное представление о закономерностях направленно-зависимого магнетизма (то есть магнитной анизотропии) в двух экзотических квантовых фазах многослойного ромбоэдрического графена. Эти фазы известны как спин-поляризованный полуметалл и спин-долинно-поляризованный четвертьметалл.
«Мы обнаружили, что в полуметалле спины имеют очень слабую анизотропию — поля всего в десятки миллитесла достаточны, чтобы наклонить спины в любом направлении, — тогда как в четвертьметаллической фазе спины сильно закреплены вдоль поляризованного в плоскости долины направления», — сказал доктор Датта.
«Это чёткое различие в анизотропии позволяет нам установить нижнюю границу шкалы энергии взаимодействия электронов, обменного взаимодействия по Хунду. Эта шкала энергии не была извлечена ни в одном из предыдущих экспериментов в системах ромбоэдрического многослойного графена, несмотря на её ключевую роль в установлении иерархии энергетики среди конкурирующих состояний со сломанной симметрией».
Это недавнее исследование доктора Ауэрбаха, доктора Датта, господина Узана и их коллег подчёркивает потенциал устройств SQUID-на-наконечнике для исследования локальных магнитных явлений в двумерных материалах. Подобные методы могут быть использованы для картирования магнитных текстур в других материалах, что потенциально может дать представление, которое может быть использовано для разработки будущих технологий спинтроники и квантовых технологий.
В своём эксперименте исследователи проводили измерения при базовой температуре в криостате разбавления, которая составляет около 20 мК. В следующих исследованиях они планируют постепенно повышать температуру в охлаждающем устройстве и наблюдать, как меняется магнитная текстура при разных температурах.
«Это позволит нам точно определить температуру Кюри — температуру, при которой магнетизм окончательно отключается, — и отследить, как меняется соответствующая магнитная анизотропия», — добавил профессор Зельдов. «Помимо этого, наша более масштабная цель на будущее — увидеть, как магнитное упорядочение изоспинов в состояниях со сломанной симметрией формирует целочисленные и дробные квантовые аномальные состояния Холла и может ли это вызвать нетрадиционную сверхпроводимость в семействе многослойного ромбоэдрического графена».