Ερευνητές κατασκευάζουν φύλλο γραφένιου με μαγνητικές ιδιότητες

Το γραφένιο, ένα φύλλο πάχους ενός μόνο ατόμου άνθρακα, που συνδέεται με άλλα σε μια διευθέτηση τέτοια ώστε να σχηματίζουν εξαγωνικό πλέγμα. Eίναι ένα από τα πλέον πολυσυζητημένα υλικά με πολλές επιθυμητές ιδιότητες, δυστυχώς εκτός από μια: τον μαγνητισμό. Μπορεί αυτό το υλικό να αποκτήσει και αυτή την ιδιότητα; Επιστήμονες κατάφεραν να προκαλέσουν μαγνητισμό με εμπλουτισμό του γραφενίου με μαγνητικές προσμίξεις, αλλά αυτός ο εμπλουτισμός τείνει να διαταράξει τις ηλεκτρονικές του ιδιότητες.

Τώρα μια ομάδα φυσικών στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Riverside, βρήκαν έναν έξυπνο τρόπο να προκαλέσουν μαγνητισμό στο γραφένιο, διατηρώντας, επίσης, τις ηλεκτρονικές του ιδιότητες. Το κατάφεραν φέρνοντας ένα φύλλο γραφένιου πολύ κοντά σε ένα μαγνητικό μονωτή, ένα ηλεκτρικό μονωτή με μαγνητικές ιδιότητες και δημοσίευσαν τα αποτελέσματα στο online Physical Review Letters αυτού του μήνα.

«Είναι η πρώτη φορά που το γραφένιο έγινε μαγνητικό με αυτό τον τρόπο», δήλωσε ο Jing Shi, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας, του οποίου το εργαστήριο καθοδηγεί την έρευνα. «Το μαγνητικό γραφένιο αποκτά νέες ηλεκτρονικές ιδιότητες, έτσι ώστε να μπορούν να προκύπτουν νέα κβαντικά φαινόμενα. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να οδηγήσουν σε νέες ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες είναι πιο ισχυρές και πολύ-λειτουργικές».

Καθώς στα ολοκληρωμένα κυκλώματα των υπολογιστών το ηλεκτρονικό spin χρησιμοποιείται για την αποθήκευση δεδομένων, η νέα ιδιότητα που δημιούργησαν οι επιστήμονες στο γραφένιο, αυξάνει τη δυναμική για την χρήση του στους υπολογιστές. Ο Shi και η ομάδα του χρησιμοποίησαν ως μαγνητικό μονωτή ένα φεριμαγνητικό υλικό με θερμοκρασία Curie 550 βαθμοί Κέλβιν, ένα γρανάτη με ύττριο και σίδηρο, που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο με μια ειδική μέθοδο (laser molecular beam epitaxy-MBE). Οι ερευνητές τοποθέτησαν ένα φύλλο γραφενίου, μονής στρώσης, σε ένα ατομικά ομαλό στρώμα του γρανάτη. Βρήκαν ότι ο γρανάτης μαγνήτιζε το φύλλο γραφενίου. Με άλλα λόγια το γραφένιο απλά δανείζεται τις μαγνητικές ιδιότητες από τον γρανάτη.

Μαγνητικές ουσίες όπως ο σίδηρος τείνουν να ανακατεύονται με την ηλεκτρική αγωγιμότητα του γραφένιου. Οι ερευνητές απέφυγαν αυτές τις ουσίες και επέλεξαν τον γρανάτη με ύττριο και σίδηρο επειδή γνώριζαν ότι λειτουργούσε ως ηλεκτρικός μονωτής, πράγμα που σήμαινε ότι δεν θα μπορούσε να διαταράξει τις ηλεκτρικές ιδιότητες μεταφοράς του γραφένιου. Μη εμπλουτίζοντας το φύλλο του γραφένιου, αλλά απλά τοποθετώντας το επάνω σε ένα στρώμα γρανάτη, σιγουρεύτηκαν ότι οι εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες μεταφοράς του γραφένιου παρέμειναν αμετάβλητες.

Στο πείραμά τους, ο Shi και η ομάδα του, εξέθεσαν το γραφένιο σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Βρήκαν ότι το δυναμικό Hall (μια διαφορά δυναμικού σε κάθετη διεύθυνση στη ροή του ρεύματος) του γραφένιου, εξαρτάται γραμμικά με το μαγνητισμό του γρανάτη (ένα φαινόμενο γνωστό ως ανώμαλο φαινόμενο Hall, που εμφανίζεται σε μαγνητικά υλικά όπως σίδηρος και κοβάλτιο). Αυτό ακριβώς επιβεβαίωσε ότι το φύλλο του γραφένιου είχε μετατραπεί σε μαγνητικό υλικό.