Kejutan magnetik terungkap dalam graphene ‘sudut ajaib’

Ketika dua lembar nanopartikel karbon graphene ditumpuk bersama pada sudut tertentu relatif satu sama lain, itu menimbulkan beberapa fisika yang cukup keren. Misalnya, ketika apa yang disebut “grafena sudut ajaib” didinginkan hingga mendekati nol mutlak, ia tiba-tiba menjadi superkonduktor, artinya ia menghantarkan listrik tanpa hambatan.

Sekarang, tim peneliti dari Brown University telah menemukan fenomena baru yang mengejutkan yang dapat muncul pada graphene sudut ajaib. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di majalah Sains, tim menunjukkan bahwa dengan menginduksi fenomena yang dikenal sebagai kopling spin-orbit, graphene sudut ajaib menjadi feromagnet yang kuat.

“Magnetisme dan superkonduktivitas biasanya berada di ujung spektrum yang berlawanan dalam fisika benda terkondensasi, dan jarang muncul dalam platform material yang sama,” kata Jia Li, profesor fisika di Brown dan penulis senior makalah tersebut. “Namun, kami telah menunjukkan bahwa kami dapat menciptakan magnetisme dalam sistem yang awalnya menampung superkonduktivitas. Ini memberi kami cara baru untuk mempelajari interaksi antara superkonduktivitas dan magnetisme, dan memberikan kemungkinan baru yang menarik untuk penelitian ilmu kuantum.”

Grafena sudut ajaib telah menyebabkan kegemparan dalam fisika dalam beberapa tahun terakhir. Grafena adalah bahan dua dimensi yang terbuat dari atom karbon Disusun dalam pola sarang lebah. Lembaran graphene tunggal menarik dalam dirinya sendiri – menampilkan kekuatan material yang luar biasa dan konduktivitas listrik yang sangat efisien. Tetapi segalanya menjadi lebih menarik ketika lembaran graphene ditumpuk. Elektron mulai berinteraksi tidak hanya dengan elektron lain di dalam lembar graphene, tetapi juga dengan elektron di lembar yang berdekatan. Mengubah sudut pelat terhadap satu sama lain mengubah interaksi tersebut, sehingga menimbulkan fenomena kuantum yang menarik seperti superkonduktivitas.

Penelitian baru ini menambahkan kerutan baru – kopling spin-orbit – ke sistem yang sudah menarik ini. Kopling spin-orbit adalah keadaan perilaku elektron dalam bahan tertentu di mana setiap elektron — momen magnetik kecilnya yang mengarah ke atas atau ke bawah — terkait dengan orbitnya di sekitar inti atom.

“Kita tahu bahwa kopling spin-spin memunculkan berbagai fenomena kuantum yang menarik, tetapi biasanya tidak ada dalam graphene sudut ajaib,” kata Jiang Xiazi Lin, peneliti postdoctoral di Brown dan penulis utama studi tersebut. “Kami ingin memperkenalkan kopling spin-orbit, dan kemudian melihat efeknya pada sistem.”

Untuk melakukan ini, Lee dan timnya mengikat graphene sudut ajaib ke blok tungsten diselenide, bahan yang memiliki kopling spin-orbit yang kuat. Penjajaran tumpukan yang akurat mengarah ke kopling spin-orbit di graphene. Dari sana, tim memeriksa sistem dengan arus listrik eksternal dan medan magnet.

Eksperimen telah menunjukkan bahwa arus listrik yang mengalir dalam satu arah melalui bahan dengan adanya medan magnet eksternal menghasilkan tegangan dalam arah tegak lurus terhadap arus. Tegangan ini, yang dikenal sebagai efek Hall, adalah sinyal dari medan magnet intrinsik dalam material.

Yang mengejutkan tim peneliti, mereka menunjukkan bahwa keadaan magnet dapat dikontrol menggunakan medan magnet eksternal, yang berorientasi baik di bidang graphene atau di luar bidang. Ini kontras dengan bahan feromagnetik tanpa kopling spin-orbit, di mana magnet intrinsik dapat dikontrol hanya ketika medan magnet luar disejajarkan di sepanjang arah magnetisasi.

Yahui Chang, fisikawan teoretis dari Universitas Harvard yang bekerja dengan tim Brown untuk memahami fisika yang terkait dengan magnetisme yang diamati.

“Efek unik dari kopling spin-orbit memberi para ilmuwan pegangan eksperimental baru untuk memperkuat upaya memahami perilaku graphene sudut ajaib,” kata Erin Morissette, seorang mahasiswa pascasarjana di Brown University yang telah melakukan beberapa pekerjaan eksperimental. “Hasilnya juga berpotensi untuk aplikasi perangkat keras baru.”

Salah satu aplikasi yang mungkin ada di memori komputer. Tim menemukan bahwa sifat magnetik dari sudut ajaib grafena Mereka dapat dikendalikan oleh medan magnet eksternal dan medan listrik. Ini akan membuat sistem 2D ini menjadi kandidat ideal untuk perangkat memori magnetik dengan opsi baca/tulis yang fleksibel.

Para peneliti mengatakan ada aplikasi potensial lain dalam komputasi kuantum. Antarmuka antara feromagnet dan superkonduktor telah diusulkan sebagai blok bangunan potensial untuk komputer kuantum. Namun, masalahnya adalah bahwa antarmuka seperti itu sulit dibuat karena magnet umumnya merusak superkonduktivitas. Tapi zat yang mampu melakukan keduanya feromagnetisme Dan superkonduktivitas dapat menyediakan cara untuk membuat antarmuka itu.

“Kami sedang bekerja menggunakan antarmuka atom untuk mencapai stabilitas superkonduktivitas Lee berkata: “Dan feromagnetisme pada saat yang sama. Koeksistensi kedua fenomena ini jarang terjadi dalam fisika, dan itu pasti akan membuka lebih banyak kegembiraan.”