Vanligt blyertspenna håller extraordinära egenskaper när det rakas ner till lager så tunna som en atom. Ett enda, atomtunt ark av grafit, känt som grafen, är bara en liten bråkdel av bredden på ett människohår. Under ett mikroskop liknar materialet en kycklingtråd av kolatomer länkade i ett sexkantigt gitter.
Trots dess waif-liknande proportioner har forskare funnit under åren att grafen är exceptionellt stark. Och när materialet staplas och vrids i specifika förvrängningar kan det anta överraskande elektroniskt beteende.
Nu har MIT-fysiker upptäckt en annan överraskande egenskap hos grafen:när den staplas i fem lager, i ett romboedriskt mönster, antar grafen ett mycket sällsynt, "multiferroiskt" tillstånd, där materialet uppvisar både okonventionell magnetism och en exotisk typ av elektroniskt beteende , som laget har myntat ferro-valleytricity.
"Graphene är ett fascinerande material", säger teamledaren Long Ju, biträdande professor i fysik vid MIT. "Varje lager du lägger till ger dig i princip ett nytt material. Och nu är det första gången vi ser ferro-valleytricity, och okonventionell magnetism, i fem lager av grafen. Men vi ser inte den här egenskapen i ett, två, tre, eller fyra lager."
Upptäckten kan hjälpa ingenjörer att designa datalagringsenheter med ultralåg effekt och hög kapacitet för klassiska datorer och kvantdatorer.
"Att ha multiferroiska egenskaper i ett material innebär att om det kunde spara energi och tid att skriva en magnetisk hårddisk, kan du också lagra dubbelt så mycket information jämfört med konventionella enheter", säger Ju.
Hans team rapporterar sin upptäckt i en tidning i Nature . MIT medförfattare inkluderar huvudförfattaren Tonghang Han, plus Zhengguang Lu, Tianyi Han och Liang Fu; tillsammans med Harvard University-kollaboratörerna Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang och Hongkun Park; och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi från National Institute for Materials Science i Japan.
Ett ferroiskt material är ett som uppvisar ett visst koordinerat beteende i sina elektriska, magnetiska eller strukturella egenskaper. En magnet är ett vanligt exempel på ett ferroiskt material:dess elektroner kan koordinera sig för att snurra i samma riktning utan ett externt magnetfält. Som ett resultat pekar magneten spontant i en föredragen riktning i rymden.
Andra material kan vara ferroiska på olika sätt. Men bara en handfull har visat sig vara multiferroisk - ett sällsynt tillstånd där flera egenskaper kan samordnas för att uppvisa flera föredragna tillstånd. I konventionell multiferroics skulle det vara som om, förutom att magneten pekar åt ena hållet, den elektriska laddningen också skiftar i en riktning som är oberoende av den magnetiska riktningen.
Multiferroiska material är av intresse för elektronik eftersom de potentiellt kan öka hastigheten och sänka energikostnaden för hårddiskar. Magnetiska hårddiskar lagrar data i form av magnetiska domäner – i huvudsak mikroskopiska magneter som läses som antingen en 1 eller en 0, beroende på deras magnetiska orientering.
Magneterna kopplas om av en elektrisk ström, som förbrukar mycket energi och inte kan fungera snabbt. Om en lagringsenhet kunde tillverkas av multiferroiska material, skulle domänerna kunna bytas av ett snabbare elektriskt fält med mycket lägre effekt. Ju och hans kollegor var nyfikna på om multiferroiskt beteende skulle uppstå i grafen.
Materialets extremt tunna struktur är en unik miljö där forskare har upptäckt annars dolda kvantinteraktioner. Ju undrade särskilt om grafen skulle uppvisa multiferroiskt, koordinerat beteende bland sina elektroner när det arrangerades under vissa förhållanden och konfigurationer.
"Vi letar efter miljöer där elektroner bromsas - där deras interaktioner med det omgivande gittret av atomer är små, så att deras interaktioner med andra elektroner kan komma igenom," förklarar Ju. "Det är då vi har en chans att se intressanta kollektiva beteenden hos elektroner."
Teamet genomförde några enkla beräkningar och fann att ett visst koordinerat beteende bland elektroner skulle uppstå i en struktur av fem grafenlager staplade tillsammans i ett romboedriskt mönster. (Tänk på fem stängsel av hönsnät, staplade och något förskjutna så att strukturen sett uppifrån skulle likna ett mönster av diamanter.)
"I fem lager råkar elektroner vara i en gittermiljö där de rör sig mycket långsamt, så att de kan interagera med andra elektroner effektivt", säger Ju. "Det är då elektronkorrelationseffekter börjar dominera, och de kan börja samordnas till vissa föredragna, ferroiska ordrar."
Forskarna gick sedan in i labbet för att se om de faktiskt kunde observera multiferroiskt beteende i femlagers grafen. I sina experiment började de med ett litet grafitblock, från vilket de noggrant exfolierade enskilda flingor. De använde optiska tekniker för att undersöka varje flinga och letade specifikt efter femlagers flingor, arrangerade naturligt i ett romboedriskt mönster.
"Till viss del gör naturen magin", sa huvudförfattaren och doktoranden Han. "Och vi kan titta på alla dessa flingor och se vilka som har fem lager, i denna romboedriska stapling, vilket är vad som borde ge dig den här avmattande effekten i elektroner."
Teamet isolerade flera femlagers flingor och studerade dem vid temperaturer strax över absolut noll. Under sådana ultrakalla förhållanden bör alla andra effekter, såsom termiskt inducerade störningar inom grafen, dämpas, vilket gör att interaktioner mellan elektroner kan uppstå. Forskarna mätte elektronernas svar på ett elektriskt fält och ett magnetfält och fann att det faktiskt uppstod två ferroiska ordningar, eller uppsättningar av koordinerade beteenden.
Den första ferroiska egenskapen var en okonventionell magnetism:elektronerna koordinerade sin omloppsrörelse, som planeter som cirkulerade i samma riktning. (I konventionella magneter koordinerar elektroner sitt "snurr" - roterande i samma riktning, samtidigt som de förblir relativt fixerade i rymden.)
Den andra ferroiska egenskapen hade att göra med grafens elektroniska "dal". I varje ledande material finns det vissa energinivåer som elektroner kan uppta. En dal representerar det lägsta energitillstånd som en elektron naturligt kan sedimentera. Som det visar sig finns det två möjliga dalar i grafen. Normalt har elektroner ingen preferens för någon av dalen och sätter sig lika i båda.
Men i femlagers grafen fann teamet att elektronerna började koordinera sig och föredrog att bosätta sig i en dal framför den andra. Detta andra koordinerade beteende indikerade en ferroisk egenskap som, i kombination med elektronernas okonventionella magnetism, gav strukturen ett sällsynt, multiferroiskt tillstånd.
"Vi visste att något intressant skulle hända i den här strukturen, men vi visste inte exakt vad förrän vi testade det", säger medförfattaren Lu, postdoc i Jus grupp. "Det är första gången vi har sett en ferro-valleytronics, och även första gången vi har sett en samexistens av ferro-valleytronics med okonventionell ferro-magnet."
Teamet visade att de kunde kontrollera båda ferroiska egenskaperna med hjälp av ett elektriskt fält. De föreställer sig att om ingenjörer kan införliva femlagers grafen eller liknande multiferroiskt material i ett minneschip, skulle de i princip kunna använda samma elektriska fält med låg effekt för att manipulera materialets elektroner på två sätt snarare än ett, och effektivt dubbelt så mycket data som kunde lagras på ett chip jämfört med konventionella multiferroics.
Även om den visionen är långt ifrån praktisk förverkligande, bryter teamets resultat ny mark i sökandet efter bättre, effektivare elektroniska, magnetiska och valleytroniska enheter.
Mer information: Long Ju, orbital multiferroicitet i pentalagers romboedrisk grafen, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06572-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
