誰もが大好きな魔法の素材であるグラフェンには、常に驚きがあるようです。 MIT の物理学者たちは、この驚くべき小さな物質に隠された、さらに別の真新しい電子状態を発見しました。この物質に彼らは「鉄の谷性」という奇妙な名前を付けました。
グラフェンは本質的には通常のグラファイトの極薄フレークにすぎません。実際、非常に薄いため、厚さは原子 1 個分しかありません。しかし、その始まりはささやかなものであったにもかかわらず、グラフェンは超強力、超電導、柔軟性を備えており、エレクトロニクスから衣類、航空宇宙工学に至るまであらゆるものに革命を起こす可能性を秘めています。グラフェン シートを積み重ね、特定の角度にねじり始めると、磁性や超透水性など、他の驚異的な能力が明らかになります。
MITの研究チームは新たな研究で、材料の世界では非常に珍しい別の材料「マルチフェロイックな挙動」を発見した。 A ferroic material is one whose particles have coordinated behavior -- for example, all the electrons of a magnet will point their spins in the same direction even in the absence of an external magnetic field.マルチフェロイックは、磁性が一方向を向き、電荷が別の方向を向くなど、複数の協調的な挙動を示す材料です。
研究者らは、非常に特殊な状況下ではグラフェンがマルチフェロイック材料になるはずだと計算した。理論的には、多強強性は 5 つのグラフェン層が互いの上に積み重ねられ、各層がわずかにオフセットされて三次元全体が菱形を形成する場合にのみ発生します。
5層グラフェンでは、電子はたまたま結晶格子環境にあり、そこで非常にゆっくりと移動するため、他の電子と効果的に相互作用することができます。これは、電子関連の効果が優勢になり始め、特定の好ましいフェライト次数に調整され始める可能性があるときです。
次にチームは理論を実際に確認することに着手し、グラファイトのブロックからグラフェンのフレークを削り取り、強力な顕微鏡で検査して、自然に理想的な菱形の形状をしているものを見つけました。次に、彼らは見つけた数種類のグラフェンを分離し、絶対零度より少し上の温度で研究しました。この温度では他の効果が弱まり、探していたグラフェンだけが発光します。
案の定、研究チームは、これらの特別なフレーク内の電子が一方向の電場と他の方向の磁場に均一に反応することを発見し、マルチフェロイックな挙動を確認しました。しかし、これらの個々の挙動ですら異常です。磁性は電子のスピンではなく、電子の軌道運動の調整から生じます。電子の挙動は、電子が 2 つの谷に平均化されるのではなく、1 つの「谷」(または最低エネルギー状態) に優先的に入ることから生じます。そこで研究チームは、この特異な電子状態を「アイアンバレー特性」と呼んでいます。
「この構造で何か興味深いことが起こっていることはわかっていましたが、それが何なのかはテストしてみるまでわかりませんでした」とこの研究の共同筆頭著者である Zhengguang Lu 氏は述べています。 「私たちがアイアンバレーエレクトロニクスを見たのはこれが初めてであり、アイアンバレーエレクトロニクスが型破りな強磁性体と共存しているのを見たのも初めてです。」
研究者らは、この特異な動作を最終的に悪用して、チップのデータ記憶容量を効果的に2倍にする可能性があると述べている。
研究はNature誌に掲載された。