När två ark av kolnanomaterialet grafen staplas ihop i en viss vinkel i förhållande till varandra, ger det upphov till en fascinerande fysik. Till exempel, när denna så kallade "magiska vinkelgrafen" kyls till nära absolut noll, blir den plötsligt en supraledare, vilket betyder att den leder elektricitet med noll motstånd.

Nu har ett forskarlag från Brown University hittat ett överraskande nytt fenomen som kan uppstå i magisk vinkelgrafen. I forskning publicerad i tidskriften Science , visade teamet att genom att inducera ett fenomen som kallas spin-omloppskoppling, blir magisk vinkelgrafen en kraftfull ferromagnet.

"Magnetism och supraledning är vanligtvis i motsatta ändar av spektrumet i den kondenserade materiens fysik, och det är sällsynt att de dyker upp i samma materialplattform", säger Jia Li, biträdande professor i fysik vid Brown och senior författare till forskningen. "Ändå har vi visat att vi kan skapa magnetism i ett system som ursprungligen är värd för supraledning. Detta ger oss ett nytt sätt att studera samspelet mellan supraledning och magnetism, och ger spännande nya möjligheter för kvantvetenskaplig forskning."

Magisk-vinkelgrafen har orsakat en hel del uppståndelse inom fysiken de senaste åren. Grafen är ett tvådimensionellt material tillverkat av kolatomer arrangerade i ett bikakeliknande mönster. Enstaka ark av grafen är intressanta i sig själva - uppvisar anmärkningsvärd materialstyrka och extremt effektiv elektrisk ledningsförmåga. Men saker och ting blir ännu mer intressanta när grafenark staplas. Elektroner börjar interagera inte bara med andra elektroner i ett grafenark, utan också med de i det intilliggande arket. Att ändra vinkeln på arken i förhållande till varandra förändrar dessa interaktioner, vilket ger upphov till intressanta kvantfenomen som supraledning.

Den här nya forskningen lägger till en ny rynka - spin-omloppskoppling - till detta redan intressanta system. Spinn-omloppskoppling är ett tillstånd av elektronbeteende i vissa material där varje elektrons spinn – dess lilla magnetiska moment som pekar antingen uppåt eller nedåt – blir kopplat till dess omloppsbana runt atomkärnan.

"Vi vet att spin-orbit-koppling ger upphov till ett brett spektrum av intressanta kvantfenomen, men det är normalt inte närvarande i magisk vinkelgrafen", säger Jiang-Xiazi Lin, postdoktor vid Brown och studiens huvudförfattare. "Vi ville introducera spin-orbit-koppling och sedan se vilken effekt det hade på systemet."

För att göra det sammankopplade Li och hans team magisk vinkelgrafen med ett block av volframdiselenid, ett material som har stark spin-omloppskoppling. Att justera stapeln exakt inducerar spin-omloppskoppling i grafenet. Därifrån undersökte teamet systemet med externa elektriska strömmar och magnetfält.

Experimenten visade att en elektrisk ström som flyter i en riktning över materialet i närvaro av ett externt magnetfält producerar en spänning i riktningen vinkelrät mot strömmen. Den spänningen, känd som Hall-effekten, är signaturen för ett inneboende magnetfält i materialet.

Till forskargruppens stora förvåning visade de att det magnetiska tillståndet kunde styras med hjälp av ett externt magnetfält, som är orienterat antingen i grafenens plan eller utanför planet. Detta till skillnad från magnetiska material utan spin-orbit-koppling, där den inneboende magnetismen endast kan kontrolleras när det externa magnetfältet är inriktat längs magnetismens riktning.

"Denna observation är en indikation på att spin-omloppskoppling verkligen är närvarande och gav ledtråden för att bygga en teoretisk modell för att förstå påverkan av det atomära gränssnittet", säger Yahui Zhang, en teoretisk fysiker från Harvard University som arbetade med teamet på Brown för att förstå fysiken förknippad med den observerade magnetismen.

"Den unika inverkan av spin-orbit-koppling ger forskare en ny experimentell ratt att vrida i försöken att förstå beteendet hos magisk vinkelgrafen", säger Erin Morrissette, en Brown doktorand som utförde en del av det experimentella arbetet. "Fynden har också potential för nya enhetsapplikationer."

En möjlig applikation finns i datorns minne. Teamet fann att de magnetiska egenskaperna hos magisk vinkelgrafen kan kontrolleras med både externa magnetfält och elektriska fält. Det skulle göra detta tvådimensionella system till en idealisk kandidat för en magnetisk minnesenhet med flexibla läs-/skrivalternativ.

En annan potentiell tillämpning är i kvantberäkning, säger forskarna. Ett gränssnitt mellan en ferromagnet och en supraledare har föreslagits som en potentiell byggsten för kvantdatorer. Problemet är dock att ett sådant gränssnitt är svårt att skapa eftersom magneter i allmänhet är destruktiva för supraledning. Men ett material som kan både ferromagnetism och supraledning kan vara ett sätt att skapa det gränssnittet.

"Vi arbetar med att använda atomgränssnittet för att stabilisera supraledning och ferromagnetism samtidigt," sa Li. "Samexistensen av dessa två fenomen är sällsynt inom fysiken, och det kommer säkert att låsa upp mer spänning." + Utforska vidare

Lösa pussel med grafensupraledning