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科学家在五层石墨烯中发现奇异的新电子态

时间:2023-10-26 13:03:43 点击:151次

石墨烯,这个大家最喜欢的神奇材料,似乎总是能给人带来惊喜。 麻省理工学院的物理学家现在发现了隐藏在这种非凡的小材料中的另一种全新的电子态,他们给它起了一个奇怪的名字:“铁谷特性”。 ”。

艺术家对五层石墨烯堆栈中电子呈现出一种称为多铁性的奇怪新状态的印象

石墨烯本质上只是一种超薄的普通石墨薄片——事实上,它非常薄,只有一个原子厚。 尽管石墨烯起步微不足道,但它却具有超强、超导、柔韧的特性,并且有潜力彻底改变从电子到服装再到航空航天工程的一切事物。 当你开始堆叠石墨烯片,甚至将它们扭曲到特定角度时,其他非凡的能力就会变得显而易见,例如磁性或超强透水性。

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在新的研究中,麻省理工学院的研究团队发现了另一种材料——“多铁性行为”,这在材料界非常罕见。 铁质材料是一种粒子具有协调行为的材料,例如,即使没有外部磁场,磁体的所有电子也会将其自旋指向同一方向。 多铁性材料是表现出多种协调行为的材料,例如磁性指向一个方向而电荷指向另一个方向。

研究人员计算得出,在非常特殊的情况下,石墨烯应该成为多铁性材料。 理论上,只有当五层石墨烯相互堆叠时才会出现多铁性,每层稍微偏移,使三维整体形成菱形。

在五层石墨烯中,电子恰好处于晶格环境中,它们移动非常缓慢,从而使它们能够与其他电子有效地相互作用。 此时,电子相关效应开始占主导地位,并且它们可以开始协调成某些优选的铁氧体顺序。

接下来,研究小组开始在实践中证实这一理论,从石墨块上刮下石墨烯薄片,并用强大的显微镜对其进行检查,以找到一些天然具有理想菱形形状的石墨烯。 然后,他们分离出了几种类型的石墨烯,并在略高于绝对零的温度下对它们进行了研究,此时其他效应减弱,因此只有他们正在寻找的石墨烯会发光。

果然,研究小组发现这些特殊薄片中的电子对一个方向的电场和另一个方向的磁场做出均匀的响应,证实了多铁性行为。 但即使这些单独的行为也是不寻常的——磁性是由电子轨道运动的协调产生的,而不是它们的自旋。 电子行为是由于电子优先进入一个“谷”(或最低能态)而不是平均进入两个谷而产生的。 因此,研究团队将这种奇特的电子态称为“铁谷特性”。

“我们知道这个结构中发生了一些有趣的事情,但在测试之前我们不知道它是什么,”该研究的共同第一作者 Lu说。 “这是我们第一次看到铁谷电子产品,也是我们第一次看到铁谷电子产品与非常规铁磁体共存。”

研究人员表示,这种特殊的行为最终可以被利用来有效地将芯片的数据存储容量翻倍。

该研究发表在《自然》杂志上。