تم الكشف عن مفاجأة مغناطيسية في الجرافين “ذي الزاوية السحرية”

عندما يتم تكديس صفحتين من الجرافين ذي المادة النانوية الكربونية معًا بزاوية معينة بالنسبة لبعضهما البعض ، فإن ذلك يؤدي إلى نشوء بعض الفيزياء الرائعة. على سبيل المثال ، عندما يتم تبريد ما يسمى بـ “الجرافين ذي الزاوية السحرية” إلى ما يقرب من الصفر المطلق ، يصبح فجأة موصلًا فائقًا ، مما يعني أنه يوصل الكهرباء بدون مقاومة.

الآن ، اكتشف فريق بحثي من جامعة براون ظاهرة جديدة مفاجئة يمكن أن تنشأ في الجرافين ذي الزاوية السحرية. في بحث منشور في المجلة علم، أظهر الفريق أنه من خلال إحداث ظاهرة تعرف باسم اقتران تدور في المدار، الجرافين ذو الزاوية السحرية يصبح مغناطيسًا حديديًا قويًا.

قال جيا لي ، أستاذ الفيزياء المساعد في براون وكبير مؤلفي البحث: “المغناطيسية والموصلية الفائقة عادة ما تكون على طرفي نقيض من الطيف في فيزياء المادة المكثفة ، ومن النادر أن تظهر في نفس منصة المواد”. “ومع ذلك ، فقد أظهرنا أنه يمكننا إنشاء المغناطيسية في نظام يستضيف في الأصل الموصلية الفائقة. وهذا يعطينا طريقة جديدة لدراسة التفاعل بين الموصلية الفائقة والمغناطيسية ، ويوفر إمكانيات جديدة ومثيرة لأبحاث علوم الكم.”

أحدث الجرافين ذو الزاوية السحرية ضجة كبيرة في الفيزياء في السنوات الأخيرة. الجرافين مادة ثنائية الأبعاد مصنوعة من ذرات الكربون مرتبة في نمط يشبه قرص العسل. تعد الألواح المنفردة من الجرافين مثيرة للاهتمام بحد ذاتها – حيث تعرض قوة ملحوظة للمواد وتوصيلًا كهربائيًا فعالاً للغاية. لكن الأمور تصبح أكثر إثارة عندما يتم تكديس أوراق الجرافين. تبدأ الإلكترونات في التفاعل ليس فقط مع الإلكترونات الأخرى داخل ورقة الجرافين ، ولكن أيضًا مع تلك الموجودة في الصفيحة المجاورة. يؤدي تغيير زاوية الصفائح فيما يتعلق ببعضها البعض إلى تغيير تلك التفاعلات ، مما يؤدي إلى ظهور ظواهر كمية مثيرة للاهتمام مثل الموصلية الفائقة.

يضيف هذا البحث الجديد تجعدًا جديدًا – اقتران تدور في مدار – لهذا النظام المثير للاهتمام بالفعل. اقتران الدوران والمدار هو حالة من سلوك الإلكترون في مواد معينة حيث يرتبط كل إلكترون – عزمه المغناطيسي الصغير الذي يشير إما لأعلى أو لأسفل – بمداره حول النواة الذرية.

قال جيانغ شيازي لين ، باحث ما بعد الدكتوراه في براون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “نحن نعلم أن اقتران الدوران الدوراني يؤدي إلى ظهور مجموعة واسعة من الظواهر الكمومية المثيرة للاهتمام ، لكنه ليس موجودًا عادة في الجرافين ذي الزاوية السحرية”. “أردنا إدخال اقتران تدور في مدار ، ثم نرى ما تأثيره على النظام.”

للقيام بذلك ، قام لي وفريقه بربط الجرافين ذو الزاوية السحرية بكتلة من مادة ديسيلينيد التنجستن ، وهي مادة لها اقتران قوي في مدار الدوران. تؤدي محاذاة المكدس بدقة إلى اقتران مدار الدوران في الجرافين. من هناك ، فحص الفريق النظام بتيارات كهربائية خارجية ومجالات مغناطيسية.

أظهرت التجارب أن تيارًا كهربائيًا يتدفق في اتجاه واحد عبر المادة في وجود مجال مغناطيسي خارجي ينتج جهدًا في الاتجاه العمودي على التيار. هذا الجهد ، المعروف باسم تأثير هول ، هو إشارة منبهة لحقل مغناطيسي جوهري في المادة.

ولدهشة فريق البحث ، أظهروا أنه يمكن التحكم في الحالة المغناطيسية باستخدام مجال مغناطيسي خارجي ، والذي يكون موجهًا إما في مستوى الجرافين أو خارج الطائرة. يتناقض هذا مع المواد المغناطيسية بدون اقتران الدوران والمدار ، حيث يمكن التحكم في المغناطيسية الجوهرية فقط عندما يتم محاذاة المجال المغناطيسي الخارجي على طول اتجاه المغناطيسية.

قال ياهوي تشانغ ، عالم الفيزياء النظرية من جامعة هارفارد والذي عمل مع فريق براون لفهم الفيزياء المرتبطة بالمغناطيسية المرصودة.

قالت إيرين موريسيت ، طالبة الدراسات العليا في جامعة براون والتي أجرى بعض الأعمال التجريبية: “إن التأثير الفريد لاقتران المدار الدوراني يمنح العلماء مقبضًا تجريبيًا جديدًا لتشغيل الجهد المبذول لفهم سلوك الجرافين ذي الزاوية السحرية”. “النتائج لديها أيضا إمكانية لتطبيقات الأجهزة الجديدة.”

أحد التطبيقات الممكنة موجود في ذاكرة الكمبيوتر. وجد الفريق أن الخصائص المغناطيسية للزاوية السحرية الجرافين يمكن التحكم فيها بكل من المجالات المغناطيسية الخارجية والمجالات الكهربائية. من شأن ذلك أن يجعل هذا النظام ثنائي الأبعاد مرشحًا مثاليًا لجهاز ذاكرة مغناطيسي مع خيارات قراءة / كتابة مرنة.

يقول الباحثون إن هناك تطبيقًا آخر محتملًا في الحوسبة الكمومية. تم اقتراح واجهة بين مغناطيس حديدي وموصل فائق كحجر بناء محتمل لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ومع ذلك ، تكمن المشكلة في صعوبة إنشاء مثل هذه الواجهة لأن المغناطيسات مدمرة بشكل عام للموصلية الفائقة. لكن مادة قادرة على كليهما المغناطيسية الحديدية ويمكن أن توفر الموصلية الفائقة طريقة لإنشاء تلك الواجهة.

“نحن نعمل على استخدام الواجهة الذرية لتحقيق الاستقرار الموصلية الفائقة وقال لي: “والمغناطيسية الحديدية في نفس الوقت. إن التعايش بين هاتين الظاهرتين نادر في الفيزياء ، ومن المؤكد أنه سيفتح المزيد من الإثارة.”