Grafeen, ieders favoriete magische materiaal, lijkt altijd verrassingen met zich mee te brengen. Natuurkundigen van het MIT hebben nu weer een gloednieuwe elektronische toestand ontdekt, verborgen in dit opmerkelijke kleine materiaal – een toestand die ze een merkwaardige naam hebben gegeven – ‘iron valleyness’.


Artistieke impressie van elektronen in een vijflaagse grafeenstapel die een vreemde nieuwe toestand aanneemt die multiferroïsch wordt genoemd

Grafeen is in wezen slechts een ultradunne schilfer van gewoon grafiet, zo dun zelfs dat het slechts één atoom dik is. Maar ondanks zijn bescheiden begin is grafeen supersterk, supergeleidend, flexibel en heeft het de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in alles, van elektronica tot kleding en ruimtevaarttechniek. Wanneer je grafeenvellen begint te stapelen en ze zelfs in specifieke hoeken draait, worden andere buitengewone eigenschappen duidelijk, zoals magnetisme of superwaterdoorlatendheid.

In nieuw onderzoek ontdekte het MIT-onderzoeksteam een ​​ander materiaal: 'multiferroïsch gedrag', dat zeer zeldzaam is in de materiaalwereld. Een ferromateriaal is een materiaal waarvan de deeltjes een gecoördineerd gedrag vertonen. Alle elektronen van een magneet zullen bijvoorbeeld hun spins in dezelfde richting richten, zelfs als er geen extern magnetisch veld is. Multiferroics zijn materialen die meer dan één gecoördineerd gedrag vertonen, zodat magnetisme in de ene richting wijst en ladingen in de andere.

De onderzoekers berekenden dat grafeen onder zeer bijzondere omstandigheden een multiferroïsch materiaal zou moeten worden. Theoretisch komt multiferroiciteit alleen voor als vijf lagen grafeen op elkaar worden gestapeld, waarbij elke laag enigszins verschoven is, zodat het driedimensionale geheel een ruit vormt.

In vijflaags grafeen bevinden de elektronen zich in een kristalroosteromgeving waar ze heel langzaam bewegen, waardoor ze effectief kunnen interageren met andere elektronen. Dit is het moment waarop elektrongerelateerde effecten beginnen te domineren, en ze kunnen beginnen te coördineren in bepaalde ferrietorden die de voorkeur hebben.

Vervolgens ging het team op pad om de theorie in de praktijk te bevestigen, door grafeenvlokken uit grafietblokken te schrapen en deze met krachtige microscopen te onderzoeken om er enkele te vinden die van nature de ideale ruitvorm hadden. Vervolgens isoleerden ze verschillende soorten grafeen die ze vonden en bestudeerden ze bij temperaturen net boven het absolute nulpunt, waar andere effecten zwakker worden, zodat alleen het grafeen waarnaar ze op zoek waren, gloeit.

En ja hoor, het team ontdekte dat de elektronen in deze speciale vlokken uniform reageerden op elektrische velden in de ene richting en magnetische velden in de andere, wat multiferroïsch gedrag bevestigde. Maar zelfs dit individuele gedrag is ongebruikelijk: magnetisme komt voort uit de coördinatie van de orbitale bewegingen van de elektronen, niet uit hun spins. Elektronisch gedrag is het resultaat van het feit dat elektronen bij voorkeur één "vallei" (of laagste energietoestand) binnengaan, in plaats van zich te middelen in twee valleien. Daarom noemt het onderzoeksteam deze bijzondere elektronische toestand ‘ijzervallei-eigenschap’.

"We wisten dat er iets interessants gebeurde in deze structuur, maar we wisten pas wat het was toen we het testten", zegt Zhengguang Lu, mede-eerste auteur van het onderzoek. "Dit is de eerste keer dat we Iron Valley-elektronica zien, en de eerste keer dat we Iron Valley-elektronica naast onconventionele ferromagneten zien bestaan."

De onderzoekers zeggen dat dit bijzondere gedrag uiteindelijk kan worden uitgebuit om de gegevensopslagcapaciteit van een chip effectief te verdubbelen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature.