Физики создали первый двумерный ферримагнетизм в графене

Ученые Санкт-Петербургского университета совместно с зарубежными коллегами создали первый в мире двумерный ферромагнетик в графене. Использование полученного магнитного состояния графена может стать основой нового подхода к электронике, повышения ее энергоэффективности и быстродействия при разработке устройств по альтернативным технологиям без использования кремния.

Графен, двумерная модификация углерода, является самым легким и прочным из всех доступных сегодня двумерных материалов, а также обладает высокой проводимостью. В 2018 году исследователи СПбГУ совместно с коллегами из Томского государственного университета, немецкими и испанскими учеными впервые в мире модифицировали графен и придали ему свойства кобальта и золота — магнетизм и спин-орбитальное взаимодействие (между движущимся электроном в графене и его собственным магнитным моментом). При взаимодействии с кобальтом и золотом графен не только сохраняет свои уникальные характеристики, но и частично приобретает свойства этих металлов.

В рамках новой работы ученые синтезировали систему с ферримагнитным состоянием графена. Это уникальное состояние, при котором вещество имеет намагниченность в отсутствие внешнего магнитного поля. Физики использовали аналогичную подложку из тонкого слоя кобальта и сплава золота на его поверхности.

При легировании поверхности под графеном образовались дислокационные петли. Эти петли представляют собой треугольные области с меньшей плотностью атомов кобальта, к которым приблизились атомы золота. До сих пор было известно, что однослойный графен может быть полностью намагничен только однородным образом. Однако исследования ученых Санкт-Петербургского университета показали, что можно управлять намагниченностью атомов отдельных подрешеток за счет избирательного взаимодействия со структурными дефектами подложки.

«Это важное открытие, поскольку все электронные устройства используют электрические заряды и вызывают выделение тепла при протекании тока. Наши исследования в конечном итоге позволят передавать информацию в виде спиновых токов. Это новое поколение электроники, принципиально иная логика и новый подход к разработка технологий что уменьшает потребляемая мощность и увеличивает скорость передачи информации», — пояснил Артем Рыбкин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории электронного и спинового строения наносистем СПбГУ.

Второй важной характеристикой графена, синтезированного физиками СПбГУ, является сильное спин-орбитальное взаимодействие. В этой структуре усиление этого взаимодействия объясняется наличием атомов золота под графеном. При определенном соотношении параметров магнитного и спин-орбитального взаимодействия возможен переход от тривиального, т.е. привычного, состояния графен к романному, топологическому.

Результаты исследования опубликованы в Письма о физическом обзоре.