Il grafene è eccezionalmente forte. Inoltre, il materiale può mostrare un comportamento elettronico sorprendente quando stratificato e piegato in determinati modi.
I fisici del MIT hanno ora identificato un’altra interessante proprietà del grafene: in uno stato “multi-ferro” molto raro, che il team ha chiamato Iron Valley, il grafene mostra un magnetismo insolito e uno strano tipo di comportamento elettrico quando impilato in cinque strati a forma rombica . . Impostazioni.
Questa è la prima volta che gli scienziati osservano la valle del ferro e il magnetismo non convenzionale in cinque strati di grafene. Tuttavia, non hanno visto questa proprietà in uno, due, tre o quattro strati.
Questa scoperta potrebbe aiutare gli ingegneri a creare dispositivi di archiviazione dati a basso consumo e ad alta capacità in grado di archiviare il doppio della quantità di informazioni rispetto ai dispositivi convenzionali.
Gli scienziati desideravano determinare se il grafene potesse avere un comportamento poliferroico. Gli scienziati hanno scoperto interazioni quantistiche nascoste grazie alla fragile struttura del grafene e all’ambiente unico.
Più specificamente, gli scienziati stavano cercando ambienti in cui gli elettroni fossero rallentati, dove le loro interazioni con il reticolo che circonda gli atomi fossero piccole, in modo che potessero aver luogo interazioni con altri elettroni.
Utilizzando semplici calcoli, il team ha scoperto che una certa attività coordinata tra gli elettroni deve verificarsi in una struttura composta da cinque strati di grafene impilati uno sopra l’altro in una disposizione romboedrica.
Il leader del team Long Guo, assistente professore di fisica al MIT, ha dichiarato: “In cinque strati, gli elettroni si trovano in un ambiente reticolare dove si muovono molto lentamente, quindi possono interagire con altri elettroni in modo efficace. È allora che dominano gli effetti di correlazione elettronica e possono coordinarsi in determinate disposizioni preferite del ferro.
Gli scienziati hanno iniziato sperimentando con un piccolo blocco di grafite, staccando con cura le singole scaglie. Grazie alle loro tecniche ottiche, sono stati in grado di esaminare ciascun fiocco, cercando specificamente fiocchi con cinque strati disposti naturalmente secondo uno schema romboedrico.
A temperature appena sopra lo zero assoluto, gli scienziati hanno analizzato alcuni frammenti di cinque strati che erano stati separati. Tutti gli altri effetti, come le dislocazioni indotte termicamente all’interno del grafene, dovrebbero essere silenziosi a temperature criogeniche, consentendo l’emergere delle interazioni elettroniche. Due sistemi di ferro – o insiemi di comportamenti coordinati – sono emersi quando gli scienziati hanno analizzato il modo in cui gli elettroni rispondono ai campi magnetici ed elettrici.
La prima proprietà del ferro era il movimento orbitale coordinato degli elettroni, simile a quello dei pianeti che ruotano nella stessa direzione.
La “valle” elettronica del grafene era oggetto della seconda proprietà ferrosa. Esistono livelli energetici specifici che gli elettroni possono occupare in qualsiasi materiale conduttore. Lo stato energetico più basso in cui un elettrone può esistere naturalmente rappresenta la valle. Nel grafene potrebbero esserci delle valli. Gli elettroni di solito si depositano equamente in entrambe le valli senza preferenza per l’una.
Tuttavia, il team ha scoperto che nel grafene a cinque strati, gli elettroni hanno iniziato a coordinarsi e hanno scelto di vivere in una valle invece che nell’altra. La struttura aveva un insolito stato multiferroico a causa di questo secondo comportamento coordinato, che indica una proprietà del ferro che interagisce con l’insolito magnetismo degli elettroni.
Co-primo autore Zhenguang Lu Egli ha detto, “Sapevamo che sarebbe successo qualcosa di interessante in questa struttura, ma non sapevamo esattamente cosa fosse finché non l’abbiamo testata. È la prima volta che vediamo l’elettronica della Ferrovalley, e anche la prima volta che vediamo la coesistenza dell’elettronica della Ferrovalley e dei ferromagneti non convenzionali.”
Riferimento alla rivista:
- Han, T., Lu, Z., Scurry, G. et al. Polimorfismo orbitale del ferro nel grafene pentaedrico. Natura (2023). ID digitale: 10.1038/s41586-023-06572-s
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