Ända sedan grafen upptäcktes 2004, forskare har letat efter sätt att sätta detta begåvade, atomiskt tunt 2-D-material att arbeta. Tunnare än en enda DNA -sträng men 200 gånger starkare än stål, grafen är en utmärkt ledare för el och värme, och det kan anpassa sig till valfritt antal former, från ett ultratunt 2-D-ark, till en elektronisk krets.

Förra året, ett team av forskare under ledning av Feng Wang, en fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och professor i fysik vid UC Berkeley, utvecklat en multitasking grafen enhet som byter från en superledare som effektivt leder elektricitet, till en isolator som motstår strömmen av elektrisk ström, och tillbaka igen till en superledare.

Nu, som rapporterades idag i tidningen Natur , forskarna har utnyttjat deras grafensystems talang för att jonglera inte bara två fastigheter, men tre:supraledande, isolerande, och en typ av magnetism som kallas ferromagnetism. Multitasking -enheten kan möjliggöra nya fysikaliska experiment, såsom forskning i jakten på en elektrisk krets för snabbare, nästa generations elektronik som kvantberäkningsteknik.

"Än så länge, material som samtidigt visar supraledande, isolerande, och magnetiska egenskaper har varit mycket sällsynta. Och de flesta trodde att det skulle vara svårt att framkalla magnetism i grafen, eftersom det vanligtvis inte är magnetiskt. Vårt grafensystem är det första som kombinerar alla tre egenskaper i ett enda prov, "sa Guorui Chen, en postdoktor i Wangs Ultrafast Nano-Optics Group vid UC Berkeley, och studiens huvudförfattare.

Använda el för att slå på grafens dolda potential

Graphene har stor potential inom elektronikvärlden. Dess atomiskt tunna struktur, i kombination med sin robusta elektroniska och värmeledningsförmåga, "kan erbjuda en unik fördel i utvecklingen av nästa generations elektronik- och minneslagringsenheter, "sa Chen, som också arbetade som postdoktor vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning vid tidpunkten för studien.

Problemet är att de magnetiska material som används i elektroniken idag är gjorda av ferromagnetiska metaller, såsom järn eller koboltlegeringar. Ferromagnetiska material, som den vanliga stångmagneten, har en nord- och en sydpol. När ferromagnetiska material används för att lagra data på en dators hårddisk, dessa poler pekar antingen uppåt eller nedåt, representerar nollor och enor - kallade bitar.

Grafen, dock, är inte gjord av en magnetisk metall - den är gjord av kol.

Så forskarna kom med en kreativ lösning.

De konstruerade en ultratunn enhet, bara 1 nanometer i tjocklek, med tre lager atomtunn grafen. När det ligger mellan 2-D-lager av bornitrid, grafenlagren - beskrivna som trelagersgrafen i studien - bildar ett upprepande mönster som kallas ett moiré -supergitter.

Genom att applicera elektriska spänningar genom grafenenhetens portar, kraften från de elektriska elektronerna i enheten att cirkla i samma riktning, som små bilar som tävlar runt en bana. Detta genererade en kraftfull fart som förvandlade grafenenheten till ett ferromagnetiskt system.

Fler mätningar avslöjade en häpnadsväckande ny uppsättning egenskaper:Grafensystemets inre hade inte bara blivit magnetiskt utan också isolerande; och trots magnetismen, dess ytterkanter förvandlades till kanaler av elektronisk ström som rör sig utan motstånd. Sådana egenskaper kännetecknar en sällsynt klass av isolatorer som kallas Chern -isolatorer, sa forskarna.

Ännu mer överraskande, beräkningar av medförfattare Ya-Hui Zhang från Massachusetts Institute of Technology avslöjade att grafenenheten inte bara har en, men två ledande kanter, vilket gör den till den första observerade "högklassiga Chern-isolatorn, "en följd av de starka elektron-elektron-interaktionerna i trelager-grafen.

Forskare har varit på jakt efter tjernisolatorer inom ett forskningsområde som kallas topologi, som undersöker exotiska tillstånd av materia. Tjernisolatorer erbjuder potentiella nya sätt att manipulera information i en kvantdator, där data lagras i kvantbitar, eller qubits. En qubit kan representera en, en nolla, eller ett tillstånd där det är både ett och noll samtidigt.

"Vår upptäckt visar att grafen är en idealisk plattform för att studera olika fysiker, allt från enpartikelfysik, till supraledning, och nu topologisk fysik för att studera kvantfaser av materia i 2-D-material, "Chen sa." Det är spännande att vi nu kan utforska ny fysik i en liten enhet som bara är en miljondels millimeter tjock. "

Forskarna hoppas kunna utföra fler experiment med sin grafenenhet för att få en bättre förståelse för hur tjernisolatorn/magneten växte fram, och mekaniken bakom dess ovanliga egenskaper.