گرافن پیچ‌خورده شکل نوینی از مغناطیس را نشان می‌دهد که قبلا قابل مشاهده نبود

گرافن، به عنوان یک لایه مسطح از اتم‌های کربن در یک شبکه، بسیار ساده به نظر می‌رسد اما با این وجود، همواره دانشمندان را با خواص جدیدش حیرت‌زده می‌کند. در آخرین مورد، در ادامه مسیر طولانی پیشرفت‌ها، یک تیم از استنفورد نشان داده‌است که گرافن می‌تواند به‌گونه‌ی خاصی شکل یابد که موجب ایجاد یک میدان مغناطیسی شود. این امر به خودی خود شگفت‌انگیز است اما نکته اصلی آن‌جاست که این شکل از مغناطیس ایجاد شده، پیش از این صرفا به صورت تئوری پردازش شده بود.

از آن‌جایی که گرافن ضخامتی به اندازه یک اتم دارد، عمدتا به صورت دوبعدی یافت می‌شود. این عامل باعث می‌شود تا الکترون‌ها تنها در دو جهت محوری حرکت کنند که به نوبه خود باعث ایجاد خواص غیر معمول شده و موجب می‌شود تا  به گرافن لقب “ماده اعجاب‌انگیز” بدهند.

از روی همین نقطه شروع، لایه‌های گرافن می‌توانند به روش‌های مختلف به یکدیگر چسبیده و با اعمال فرآیند، توانایی‌ها و خواص مختلفی را ارائه دهند. سال گذشته در یک مطالعه، یک تیم از MIT دریافت که گرافن می‌تواند به یک ابر رسانا تبدیل شود. به این معنی که الکتریسیته، از طریق آن، آزادانه و با مقاومت صفر عبور کند. این کار با چسباندن دو لایه و سپس پیچاندن آن‌ها انجام می‌شود. بنابراین، الگوی‌ آن‌ها کاملا بهم نمی‌ریزد و آنچه که شکل می‌گیرد را گرافن دو لایه پیچ‌خورده[1] می‌نامند.

تیم استنفورد شروع به بازسازی و کار کردن بر روی این نتایج کرد. در انجام این کار، آن‌ها به صورت کاملا اتفاقی گرافنی را ساختند که از خود نیروی مغناطیسی نشان می‌داد. آن‌ها این قضیه را زمانی کشف کردند که یک جریان الکتریکی به نمونه گرافنی که تحت ولتاژ بالای عمود بر جریان قرار داشت، اعمال کردند. زمانی که میدان مغناطیسی خارجی قطع شد، همچنان یک ولتاژ القایی در اطراف نمونه وجود داشت که در حالت عادی، این امر برای اتفاق افتادن، نیاز به یک میدان مغناطیسی دارد. این به معنای آن است که گرافن به خودی خود، یک میدان مغناطیسی داخلی تولید می‌کند.

نکته عجیب‌تر آن‌جاست که مغناطیس تولید شده نیز از انواع رایج نبود. فرومغناطیس از شایع‌ترین انواع موجود در مواد است که زمانی ایجاد می‌شود که حالت‌های مختلف چرخش الکترون‌ها در مواد با یکدیگر هماهنگ شود. اما آنچه که مشاهده شد، در نتیجه حرکت‌های اوربیتال‌های الکترونی بود که از آن به عنوان پدیده فرومغناطیس اوربیتالی [2] یاد می‌شود.

دیوید گلدهابر-گوردون[3]، پژوهشگر ارشد این تحقیق می‌گوید: به نظر ما این اولین نمونه شناخته شده از فرومغناطیس اوربیتالی در یک ماده است. اگر مغناطیس به علت چرخش‌های قطبی باشد، انتظار نمی‌رود که شما اثر هال را مشاهده کنید. ما نه تنها در اینجا اثر هال را می‌بینیم، بلکه اثر هالی از انواع بزرگ آن را مشاهده می‌کنیم.

این مغناطیس عجیب، در نتیجه دو تغییر ظاهرا جزئی در روند تولید، توسط این تیم، ایجاد شد. دولایه گرافن بین لایه‌های نازک از نیترید بور شش ضلعی[4] قرار گرفتند و در ادامه تیم تصمیم گرفت تا یکی از آن لایه‌ها را بچرخاند و آن را به شکل گرافن دو لایه پیچ‌خورده، درآورد.

تغییر دوم به صورت تعامدی انجام شد؛ زیرا این تیم لایه‌های گرافن را کمی بیشتر از خط قبلی در مطالعه پیشین چرخاند. محققان استنفورد، به جای 1/1 درجه در تحقیق قبلی، در این کار، 2/1 درجه این لایه‌ها را چرخاندند. به نظر می‌رسد هر دوی این تغییرات، با وجود جزئی بودن، به ایجاد این مغناطیس اعجاب‌آور کمک کرده‌اند.

این تیم می‌گوید: میدان مغناطیسی گرافن دولایه پیچ‌خورده بسیار ضعیف است (حدود یک میلیون بار ضعیف‌تر از آهن‌رباهای صفحه‌ای فریزرهای قدیمی). اما این امر ممکن است برای برخی از برنامه‌های کاربردی مفید باشد.

گلدهابر-گوردون می‌گوید: مغناطیس گرافن دولایه ما می‌تواند با انرژی بسیار کمی آغاز شود و نیز می‌تواند به صورت الکترونیکی بازخوانی گردد. واقعیت این است که میدان مغناطیسی زیادی خارج از ماده وجود ندارد و این بدان معناست که شما می‌توانید بیت‌های مغناطیسی را بدون هیج‌گونه نگرانی بابت ایجاد مداخله، به یکدیگر نزدیک کنید.

گرافن در گذشته نیز به عنوان مغناطیس ساخته شده‌است، اما این کار معمولا به یکسری ناخالصی‌ها و یا ترکیب با سایر مواد مغناطیسی نیاز دارد.

– این تحقیق در ژورنال Sience منتشر شده‌است.

منبع: دانشگاه استنفورد

[1] Twisted Bilayer Graphene

[2] Orbital Ferromagnetism

[3] David Goldhaber-Gordon

[4] Hexagonal Boron Nitride

محصولات مرتبط

فهرست