Wissenschaftler der Universität St. Petersburg haben zusammen mit ihren ausländischen Kollegen den weltweit ersten zweidimensionalen Ferromagnetismus in Graphen erzeugt. Die Nutzung des erhaltenen magnetischen Zustands von Graphen kann die Grundlage für einen neuen Ansatz in der Elektronik werden, der die Energieeffizienz und Geschwindigkeit bei der Entwicklung von Geräten mit alternativen Technologien ohne Verwendung von Silizium erhöht.
Graphen, eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, ist das leichteste und stärkste aller heute erhältlichen zweidimensionalen Materialien und zudem hochgradig leitfähig. Im Jahr 2018 waren Forscher der Universität St. Petersburg zusammen mit ihren Kollegen der Tomsk State University sowie deutschen und spanischen Wissenschaftlern weltweit die ersten, die Graphen modifizierten und ihm die Eigenschaften von Kobalt und Gold verliehen – Magnetismus und Spin-Bahn-Wechselwirkung (zwischen das sich bewegende Elektron in Graphen und sein eigenes magnetisches Moment). Bei der Wechselwirkung mit Kobalt und Gold behält Graphen nicht nur seine einzigartigen Eigenschaften, sondern nimmt teilweise auch die Eigenschaften dieser Metalle an.
Als Teil der neuen Arbeit synthetisierten die Wissenschaftler ein System mit einem ferrimagnetischen Zustand von Graphen. Es ist ein einzigartiger Zustand, in dem die Substanz ohne externes Magnetfeld magnetisiert ist. Die Physiker verwendeten ein ähnliches Substrat aus einer dünnen Schicht Kobalt und einer Goldlegierung auf der Oberfläche.
Während der Oberflächenlegierung wurden Versetzungsschleifen unter Graphen gebildet. Diese Schleifen sind dreieckige Bereiche mit einer geringeren Dichte an Kobaltatomen, denen sich die Goldatome angenähert haben. Bisher war bekannt, dass einlagiges Graphen nur gleichmäßig vollständig magnetisiert werden kann. Untersuchungen der Wissenschaftler der Universität St. Petersburg haben jedoch gezeigt, dass es möglich ist, die Magnetisierung der Atome einzelner Untergitter durch gezielte Wechselwirkung mit den Strukturdefekten des Substrats zu steuern.
„Dies ist eine bedeutende Entdeckung, da alle elektronischen Geräte elektrische Ladungen verwenden und Wärme erzeugen, wenn Strom fließt. Unsere Forschung wird schließlich die Übertragung von Informationen in Form von Spinströmen ermöglichen. Dies ist eine neue Generation von Elektronik, eine grundlegend andere Logik und ein neuer Ansatz für die Technologieentwicklung, der den Stromverbrauch reduziert und die Geschwindigkeit der Informationsübertragung erhöht“, erklärte Artem Rybkin, Hauptforscher der Forschung, führender wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für elektronische und Spin-Strukturen von Nanosystemen an der Universität St. Petersburg.
Die zweite wichtige Eigenschaft des von den Physikern der St. Petersburger Universität synthetisierten Graphens ist die starke Spin-Bahn-Wechselwirkung. In dieser Struktur wird die Verstärkung dieser Wechselwirkung durch das Vorhandensein von Goldatomen unter Graphen erklärt. Bei einem bestimmten Verhältnis der magnetischen und der Spin-Bahn-Wechselwirkungsparameter ist es möglich, vom trivialen, dh vertrauten Zustand von Graphen in einen neuartigen, topologischen überzugehen.
Die Forschungsergebnisse sind in veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
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Artem G. Rybkin et al, Untergitter-Ferrimagnetismus in quasi freistehendem Graphen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.226401