信じられないほどの強さ、柔軟性、および熱伝導率で私たちを驚かせた後、グラフェンはその磁気抵抗で別の注目すべき特性を明らかにしました。 シンガポールと英国の研究者は、ほぼ元の状態の単層グラフェンで、室温磁気抵抗が他のどの材料よりも桁違いに高くなる可能性があることを示しました。 したがって、エキゾチックな物理学を探求するためのプラットフォームと、潜在的に電子デバイスを改善するためのツールの両方を提供できます。

磁気抵抗は、磁場にさらされたときの電気抵抗の変化です。 古典的な体制では、磁場がローレンツ力によって流れる電荷の軌跡を曲げるため、磁気抵抗が発生します。 従来の金属では、伝導がほとんど電子の動きのみによって行われるため、電子の偏向によって材料全体に正味の電位差が生じ、ローレンツ電位が打ち消されるため、磁場が増加すると磁気抵抗が急速に飽和します。 ビスマスやグラファイトなどの半金属では状況が異なり、電流は電子と正孔によって等しく運ばれます。 反対方向に流れる反対の電荷は、最終的に磁場によって同じように偏向されるため、正味の電位差は生成されず、磁気抵抗は理論的には無限に大きくなる可能性があります。

このレジームでは、磁気抵抗は電荷キャリアの移動度 (印加された電位に応じて移動する傾向) に依存します。 したがって、直観に反して、キャリア移動度が高い材料は磁気抵抗も高くなります。 ほとんどの半金属の磁気抵抗は、温度が上昇すると低下します。これは、熱振動が散乱につながるためです。 したがって、磁気抵抗の実験は通常、極低温条件下で行われます。

バンドギャップなし

ただし、グラフェンは、電子が約 10 で質量のないディラック フェルミオンとして伝播するために発生する、非常に高いキャリア移動度で知られています。⁶ エネルギーに関係なく m/s であり、バンドギャップが完全に存在しないためです。 今、 アレクセイ・ベルデュギン シンガポール国立大学の教授らは、価電子帯と伝導帯が接触する点まで電子エネルギー準位を正確に満たすことによって、グラフェンに巨大な磁気抵抗を作り出すことができるかどうかを調べた。

「フェルミ準位をこの特異点に調整し、温度がゼロでない場合、平衡状態では、価電子帯から伝導帯に励起された特定の数の電子があり、同数の正孔が残ります。価電子帯で」とBerdyuginは説明します。

グラフェンの電気特性は、20 年近く前にマンチェスター大学の Kostya Novoselov と Andre Geim によって初めて測定されました。 2010年ノーベル物理学賞. しかし、Berdyugin は、添加されていない純粋なグラフェンを使用した実験は非常に難しいと説明しています。 「いわゆる電荷中性点に実際に到達することはありません。 ある場所には電子がドーピングされた島があり、別の場所には正孔がドーピングされた島があります。平均すると中性点がありますが、実際にはドープされたグラフェンで構成されています。 このような状況は、電子正孔パドルと呼ばれます。」 その後の XNUMX 年間で、グラフェンの均一性は桁違いに改善され、その結果、電子と正孔のパドルのサイズは縮小しましたが、それはまだ存在しています。

ディラック流体

しかし、温度が上昇すると、ドーピングのわずかな不均一性が熱変動に打ち負かされ、流体力学的流れなどの予期しない特性を持つ「ディラック流体」が生成されます。 新しい研究では、シンガポールの Berdyugin のグループとマンチェスターの Geim のグループの研究者が、 レオニード・ポノマレンコ ランカスター大学では、この状態で、このディラック流体が 110 T の磁場で 0.1% の室温磁気抵抗率を示すことを示しています。対照的に、金属は、液体窒素温度より 1% 以上高い磁気抵抗率を示すことはめったにありません。同じ磁場。 グラフェンの高い磁気抵抗は、磁気センシングに役立つ可能性があります。

微細化された磁気トンネル接合において、室温で大きなトンネル磁気抵抗が現れる

理論的な観点からさらに興味深いのは、高磁場におけるディラック流体の挙動です。 磁気抵抗の古典的なモデルでは、磁場強度に応じて抵抗が放物線状に増加すると予測されますが、グラフェンでは直線的に増加し始めます。 同様の現象は、高温超伝導体などの強く相互作用する系で観察されており、ノーベル賞受賞者によって説明が提案されました アレクセイ・アブリコソフ. しかし、これまでのところ、この奇妙な効果は 3D では適切に理解されておらず、グラフェンで観察されるかどうかは不明でした。 「理論はほとんど何でも予測できます」と Berdyugin は言います。 ここで、グラフェンの電荷中性点を見る正しい方法を理論で示します。」

物性物理学者 マーク・クー デラウェア大学の教授は、この研究に興味をそそられています。 「それだけでは、大きな磁気抵抗が最も興味深い、または斬新な部分だとは言えません」と彼は言います。 「人々が実際に何を期待していたのかわからないので、それが驚くべきことだと言うかどうかはわかりませんが、ディラック流体で観察された磁気抵抗を説明する現在の理論がないことは明らかです…私はそれが最も斬新だと思います.理論があれば、それを実験と比較できることを人々は知っているからです。」

研究はで説明されています 自然.  

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/giant-magnetoresistance-spotted-in-near-pristine-graphene/