Ibland händer de bästa upptäckterna när forskare minst anar det. När man försöker replikera ett annat teams upptäckt, Stanford-fysiker snubblade nyligen över en ny form av magnetism, förutspått men aldrig sett förut, som genereras när två bikakeformade kolstammar försiktigt staplas och roteras till en speciell vinkel.

Författarna föreslår magnetismen, kallas orbital ferromagnetism, kan vara användbar för vissa applikationer, såsom kvantberäkning. Gruppen beskriver sitt fynd i numret av den 25 juli av tidskriften Vetenskap .

"Vi siktade inte på magnetism. Vi hittade det som kan vara det mest spännande i min karriär hittills genom delvis riktad och delvis oavsiktlig utforskning, " sa studieledaren David Goldhaber-Gordon, en professor i fysik vid Stanford's School of Humanities and Sciences. "Vår upptäckt visar att de mest intressanta sakerna visar sig vara överraskningar ibland."

Stanford-forskarna gjorde oavsiktligt sin upptäckt när de försökte reproducera ett fynd som skickade chockvågor genom fysiksamhället. I början av 2018, Pablo Jarillo-Herreros grupp på MIT tillkännagav att de hade samlat ihop en bunt med två subtilt felriktade ark med kolatomer-vriden tvålagers grafen-för att leda elektricitet utan motstånd, en egenskap som kallas supraledning.

Upptäckten var en häpnadsväckande bekräftelse på en nästan decennium gammal förutsägelse att grafenark roterade till en mycket speciell vinkel borde uppvisa intressanta fenomen.

När de är staplade och vridna, grafen bildar ett supergitter med upprepande störningar, eller moiré, mönster. "Det är som när du spelar två musikaliska toner som har lite olika frekvenser, " sa Goldhaber-Gordon. "Du kommer att få ett beat mellan de två som är relaterat till skillnaden mellan deras frekvenser. Det är ungefär som du får om du staplar två galler ovanpå varandra och vrider dem så att de inte är helt i linje. "

Fysiker teoretiserade att det speciella supergitter som bildas när grafen roterade till 1,1 grader gör att de normalt varierade energitillstånden hos elektroner i materialet kollapsar, skapar vad de kallar ett platt band där hastigheten med vilken elektroner rör sig sjunker till nästan noll. Alltså saktade, rörelserna för någon elektron blir mycket beroende av andras i dess närhet. Dessa interaktioner ligger i hjärtat av många exotiska kvanttillstånd av materia.

"Jag tyckte att upptäckten av supraledning i det här systemet var fantastisk. Det var mer än någon hade rätt att förvänta sig, " sa Goldhaber-Gordon. "Men jag kände också att det fanns mycket mer att utforska och många fler frågor att besvara, så vi bestämde oss för att försöka reproducera verket och sedan se hur vi skulle kunna bygga vidare på det. "

En rad lyckliga händelser

När du försökte duplicera MIT-teamets resultat, Goldhaber-Gordon och hans grupp införde två till synes oviktiga förändringar.

Först, samtidigt som de bikakeformade kolgallren inkapslas i tunna lager av sexkantig bornitrid, forskarna roterade oavsiktligt ett av de skyddande lagren till nästan linje med den tvinnade tvåskiktsgrafenen.

"Det visar sig att om du nästan justerar bornitridgittret med grafenens gitter, du dramatiskt förändrar de elektriska egenskaperna hos den tvinnade tvåskiktsgrafenen, "säger studiens medförfattare Aaron Sharpe, en doktorand i Goldhaber-Gordons labb.

För det andra, gruppen har avsiktligt överskridit rotationsvinkeln mellan de två grafenarken. Istället för 1,1 grader, de siktade på 1,17 grader eftersom andra nyligen hade visat att vridna grafenark tenderar att sätta sig i mindre vinklar under tillverkningsprocessen.

"Vi tänkte om vi siktar på 1,17 grader, då går det tillbaka mot 1,1 grader, och vi kommer att vara glada, "Goldhaber-Gordon sa." Istället, vi fick 1,2 grader."

En onormal signal

Konsekvenserna av dessa små förändringar blev inte uppenbara förrän Stanford-forskarna började testa egenskaperna hos deras vridna grafenprov. Särskilt, de ville studera hur dess magnetiska egenskaper förändrades när dess platta band - den samling tillstånd där elektroner saktar ner till nästan noll - fylldes eller tömdes på elektroner.

Medan man pumpade elektroner in i ett prov som hade kylts nära absolut noll, Sharpe upptäckte en stor elektrisk spänning vinkelrätt mot strömflödet när det platta bandet var tre fjärdedelar fullt. Känd som en Hall-spänning, en sådan spänning uppträder vanligtvis bara i närvaro av ett externt magnetfält - men i detta fall spänningen kvarstod även efter att det externa magnetfältet hade stängts av.

Denna onormala Hall-effekt kunde bara förklaras om grafenprovet genererade sitt eget interna magnetfält. Vidare, det här magnetfältet kan inte vara resultatet av att ställa in elektronernas spinntillstånd uppåt eller nedåt, som vanligtvis är fallet för magnetiska material, utan måste istället ha uppstått från deras koordinerade omloppsrörelser.

"Så vitt vi vet, detta är det första kända exemplet på orbital ferromagnetism i ett material, " sa Goldhaber-Gordon. "Om magnetismen berodde på spinnpolarisering, du skulle inte förvänta dig att se en Hall -effekt. Vi ser inte bara en Hall-effekt, men en enorm Hall-effekt."

Styrka i svaghet

Forskarna uppskattar att magnetfältet nära ytan på deras vridna grafenprov är ungefär en miljon gånger svagare än den för en konventionell kylmagnet, men denna svaghet kan vara en styrka i vissa scenarier, som att bygga minne för kvantdatorer.

"Vår magnetiska tvåskiktsgrafen kan slås på med mycket låg effekt och kan läsas elektroniskt mycket enkelt, "Goldhaber-Gordon sa." Det faktum att det inte finns ett stort magnetfält som sträcker sig utåt från materialet gör att du kan packa magnetbitar väldigt nära varandra utan att oroa dig för störningar. "

Goldhaber-Gordons labb är inte färdigt med att utforska tvinnat dubbelskiktsgrafen än. Gruppen planerar att göra fler prover med hjälp av nyligen förbättrade tillverkningstekniker för att ytterligare undersöka orbitalmagnetismen.