Η ανακάλυψη ενός σπάνιου ηλεκτρονικού κράτους σε πενταστρωματικό γραφένιο

Η μαγεία του γραφενίου

Το γραφένιο, ένα υλικό που προέρχεται από το κοινό μολύβι, κρύβει ιδιότητες που εντυπωσιάζουν. Όταν το γραφίτη μειώνεται σε στρώματα τόσο λεπτά όσο ένα άτομο, αποκαλύπτεται το γραφένιο, ένα υλικό με πάχος μόλις ένα μικρό κλάσμα της ανθρώπινης τρίχας. Υπό το μικροσκόπιο, το γραφένιο μοιάζει με ένα πλέγμα από άτομα άνθρακα συνδεδεμένα σε εξαγωνική διάταξη, θυμίζοντας το σύρμα κοτόπουλου.

Αξιοσημείωτες ιδιότητες και νέες ανακαλύψεις

Παρά την ευαίσθητη εμφάνισή του, το γραφένιο έχει αποδειχθεί εξαιρετικά ισχυρό. Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει ότι όταν το υλικό στοιβάζεται και στρέφεται σε συγκεκριμένες διαμορφώσεις, μπορεί να αποκτήσει εκπληκτική ηλεκτρονική συμπεριφορά. Τώρα, φυσικοί του MIT ανακάλυψαν μια νέα, σπάνια ιδιότητα στο γραφένιο: Όταν στοιβάζεται σε πέντε στρώματα με ρομβοεδρική διάταξη, το γραφένιο αποκτά μια πολύ σπάνια “πολυφερροϊκή” κατάσταση, στην οποία το υλικό επιδεικνύει τόσο ασυνήθιστο μαγνητισμό όσο και ένα εξωτικό είδος ηλεκτρονικής συμπεριφοράς, που η ομάδα ονόμασε “ferro-valleytricity”.

Η σημασία της πολυφερροϊκής κατάστασης

Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει τους μηχανικούς να σχεδιάσουν συσκευές αποθήκευσης δεδομένων με εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και υψηλή χωρητικότητα για κλασικούς και κβαντικούς υπολογιστές. Ο επικεφαλής της ομάδας, Long Ju, αναφέρει: “Το γραφένιο είναι ένα συναρπαστικό υλικό. Κάθε στρώση που προσθέτετε σας δίνει ουσιαστικά ένα νέο υλικό. Και τώρα, για πρώτη φορά, βλέπουμε το ferro-valleytricity και τον ασυνήθιστο μαγνητισμό σε πέντε στρώσεις γραφενίου. Αλλά δεν βλέπουμε αυτή την ιδιότητα σε μία, δύο, τρεις ή τέσσερις στρώσεις.”

Η προτιμησιακή τάξη

Ένα φερροϊκό υλικό είναι αυτό που επιδεικνύει κάποια συντονισμένη συμπεριφορά στις ηλεκτρικές, μαγνητικές ή δομικές του ιδιότητες. Ένα μαγνήτης είναι ένα κοινό παράδειγμα φερροϊκού υλικού: Τα ηλεκτρόνια του μπορούν να συντονιστούν να περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ως αποτέλεσμα, ο μαγνήτης δείχνει προς μια προτιμησιακή κατεύθυνση στο χώρο, αυθόρμητα.

Ηλεκτρονική και ενεργειακή αποδοτικότητα

Οι πολυφερροϊκές ιδιότητες σε ένα υλικό σημαίνουν ότι, αν μπορούσε να εξοικονομήσει ενέργεια και χρόνο για την εγγραφή ενός μαγνητικού σκληρού δίσκου, θα μπορούσατε επίσης να αποθηκεύσετε διπλάσια ποσότητα πληροφοριών σε σύγκριση με τις συμβατικές συσκευές. Η ομάδα του Ju αναφέρει την ανακάλυψή της στο περιοδικό Nature. Οι συν-συγγραφείς του MIT περιλαμβάνουν τον κύριο συγγραφέα Tonghang Han, καθώς και τους Zhengguang Lu, Tianyi Han, και Liang Fu, μαζί με συνεργάτες από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστημών Υλικών της Ιαπωνίας.

Η διαδικασία της ανακάλυψης

Η ομάδα πραγματοποίησε απλούς υπολογισμούς και βρήκε ότι κάποια συντονισμένη συμπεριφορά μεταξύ των ηλεκτρονίων θα πρέπει να εμφανιστεί σε μια δομή πέντε στρώσεων γραφενίου στοιβαγμένες μαζί σε ρομβοεδρικό μοτίβο. Στη συνέχεια, οι ερευνητές πήγαν στο εργαστήριο για να δουν αν μπορούσαν πραγματικά να παρατηρήσουν πολυφερροϊκή συμπεριφορά στο πενταστρωματικό γραφένιο. Ξεκίνησαν με ένα μικρό μπλοκ γραφίτη, από το οποίο προσεκτικά απολέπισαν μεμονωμένες νιφάδες.

Η μαγεία της φύσης

Η ομάδα απομόνωσε αρκετές νιφάδες πέντε στρώσεων και τις μελέτησε σε θερμοκρασίες λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν. Σε τέτοιες υπερψυχρές συνθήκες, όλα τα άλλα αποτελέσματα, όπως οι θερμικά επαγόμενες διαταραχές μέσα στο γραφένιο, πρέπει να μειωθούν, επιτρέποντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων να εμφανιστούν. Οι ερευνητές μέτρησαν την απόκριση των ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο και ένα μαγνητικό πεδίο και βρήκαν ότι, πράγματι, δύο φερροϊκές τάξεις, ή σύνολα συντονισμένων συμπεριφορών, εμφανίστηκαν.

Ηλεκτρονική κοιλάδα και μαγνητισμός

Η πρώτη φερροϊκή ιδιότητα ήταν ένας ασυνήθιστος μαγνητισμός: Τα ηλεκτρόνια συντόνισαν την τροχιακή τους κίνηση, όπως οι πλανήτες που κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση. Η δεύτερη φερροϊκή ιδιότητα σχετιζόταν με την ηλεκτρονική “κοιλάδα” του γραφενίου. Σε κάθε αγώγιμο υλικό, υπάρχουν ορισμένα επίπεδα ενέργειας που μπορούν να καταλάβουν τα ηλεκτρόνια. Μια κοιλάδα αντιπροσωπεύει την κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας που μπορεί να εγκατασταθεί φυσικά ένα ηλεκτρόνιο. Αλλά στο πενταστρωματικό γραφένιο, η ομάδα βρήκε ότι τα ηλεκτρόνια άρχισαν να συντονίζονται και προτιμούσαν να εγκατασταθούν σε μία κοιλάδα έναντι της άλλης.

Η μελλοντική προοπτική

Η ομάδα έδειξε ότι μπορούσαν να ελέγξουν και τις δύο φερροϊκές ιδιότητες χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο. Οραματίζονται ότι, αν οι μηχανικοί μπορούν να ενσωματώσουν το πενταστρωματικό γραφένιο ή παρόμοια πολυφερροϊκά υλικά σε ένα τσιπ μνήμης, θα μπορούσαν, κατ’ αρχήν, να χρησιμοποιήσουν το ίδιο, χαμηλής ισχύος ηλεκτρικό πεδίο για να χειριστούν τα ηλεκτρόνια του υλικού με δύο τρόπους αντί για έναν, και να διπλασιάσουν αποτελεσματικά τα δεδομένα που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν σε ένα τσιπ σε σύγκριση με τα συμβατικά πολυφερροϊκά υλικά. Αν και αυτό το όραμα απέχει πολύ από την πρακτική υλοποίηση, τα αποτελέσματα της ομάδας ανοίγουν νέους δρόμους στην αναζήτηση για καλύτερες, πιο αποδοτικές ηλεκτρονικές