В експерименти с усукан двуслоен графен, закрепен между листове борен нитрид, е възможно да се наблюдава преход на веществото към магнитно състояние. Полученото свойство се потвърждава от наличието на аномален ефект на Хол и магнитна хистерезис. В този случай рядко явление е отговорно за това – орбитален феромагнетизъм, пишат учените в списание Science
Графенът е една от алотропните модификации на чист въглерода, който е плосък кристал с шестоъгълна структура. Това вещество има едновременно рекордни или екзотични свойства в няколко категории, поради което се изследва активно както по отношение на основните физични свойства, така и по отношение на приложимостта в технологията.
Преди няколко години физиците откриха, че в двуслойния графен, когато слоевете се въртят под „магически ъгъл“ един спрямо друг, възниква свръхпроводимостта. Това откритие предизвика вълна от интерес към усукания графен и неговите свойства. От физическа гледна точка това явление се свързва предимно с появата на свръхрешетка, т.е. повтаряща се схема, в чиито възли шестоъгълните клетки на графеновите листове от различни слоеве са строго една над друга и между които не съвпадат.
Физиците от САЩ и Япония под ръководството на Дейвид Голдхабер-Гордън от Станфордския университет първоначално ще възпроизведат резултатите, получени по-рано от друга група за свръхпроводимостта на двуслойния графен, но откриват фундаментално нов феномен. Оказва се, че при определено ниво на запълване на електронните енергийни зони се наблюдава мощен ефект на Хол – появата на напречна разлика в потенциала при преминаване на ток през вещество. Обикновено този ефект се проявява в присъствието на външно магнитно поле, но в този случай потенциалната разлика възниква без него. Оказва се, че учените се занимават с аномален ефект на Хол и магнитното поле е присъщо на самия материал, феромагнитната природа на която се потвърждава от наблюдението на хистерезиса.
Обикновеният еднослоен графен се характеризира с линейна дисперсия на електроните, т.е. зависимостта на енергията на частиците от инерцията. В допълнение, всяка единична клетка може да съдържа до два електрона с различни завъртания. Въпреки това, в усукан двуслоен графен възниква плоска енергийна зона, в която частиците имат ефективна нулева енергия, се движат без взаимодействие помежду си и решетъчни места, което ще определи свръхпроводящите свойства. Всяка клетка на суперрешетката може да съдържа до четири електрона с двойки от различни спинови и орбитални състояния.
Сега учените са открили, че запълването на зоната на суперрешетката с 3/4 осигурява появата на магнетизъм. Запълването на три четвърти в този случай не означава, че всяка от четирите зони е пълна с три четвърти, но че организацията на електроните гарантира, че трите зони са напълно запълнени, оставяйки четвъртата напълно празна. В този случай, електроните са поляризирани както в спина, така и в орбиталните състояния, което води до появата на мощен аномален ефект на Хол, който е записан в експериментите. Този тип магнетизъм обаче е много необичаен, тъй като в обикновените феромагнети (за които не е характерен аномалният ефект на Хол) са свързани само спиновете на електроните и в този случай е записан рядък тип орбитален феромагнетизъм.
Допълнителни изследвания показват, че такива големи промени в свойствата на веществото са резултат само от две малки разлики в технологията на производство. Първо, авторите са разгънали не само един от слоевете графен, но също така и слой от нитрид на бора, прикрепен към него отвън. Второ, беше избран малко по-голям ъгъл на усукване – 1.2 градуса вместо 1.1.
Авторите отбелязват, че графенът е бил направен преди това магнитно, но преди това това е постигнато чрез включване на нееднородности или чрез силно взаимодействие с субстрат от магнитен материал, докато в новата работа това не е така. Също така, въпреки факта, че магнитното поле, генерирано от такъв графен, е много малко, то може да се използва, например, в областта на запис на информация, защото малко поле означава възможността за много плътно подреждане на магнитни битове, които няма да влияят една на друга.
Преди това учените се научили как да получават графенов оксид без вреда за околната среда, открили се регулируема свръхпроводимост на трислоен графен, ускорили растежа на монокристалите на графена чрез отлагане на течен метал и предложили да намалят разходите си за производство стотици пъти с помощта на евкалиптова кора.