Ученые из Великобритании открыли еще одно полезное свойство графена. Оказывается, он может быть намагничен простым потоком электронов. Обнаруженный эффект может в будущем пригодиться при создании спинтронных или квантово-информационных устройств, принцип действия которых основан на использовании спина электрона.

Графен представляет собой материал, напоминающий пчелиные соты толщиной всего в один атом. Углерод, расположенный в узлах кристаллической решетки, формирует двумерную гексагональную структуру. С точки зрения теории проводимости, графен ведет себя как полу-металл. Данный материал часто рассматривают как возможную замену кремнию в электронных устройствах будущего за счет его чрезвычайно высокой проводимости и возможности его использования при создании компонент чрезвычайно малых размеров.

Традиционно объектом исследования графена являются всевозможные электронные и механические свойства. Но группа ученых из Великобритании обратила внимание на магнетизм. Свое открытие они сделали после пропускания электрического заряда через лист графена в присутствии слабого магнитного поля. Они обнаружили, что поток электронов производил справа и слева от себя спиновые заряды противоположного направления (при этом спины были перпендикулярны к направлению распространения тока). Эффект проявлялся в намагничивании всего листа графена.

В своих экспериментах ученые изучали около 20 типов устройств, основанных на двух разновидностях графена: графене, рост которого осуществлялся непосредственно на подложке из оксида кремния, и системе, в которой между графеном и подложкой из оксида кремния находился дополнительный слой гексагонального нитрида бора. В статье, опубликованной в журнале Science, ученые поясняют, что обнаруженный эффект, по их мнению, связан с необычным свойством графена- существованием так называемой «дираковской» или «нейтральной» точки, где соединяются зоны валентности и проводимости электронов. Электроны, энергия которых больше энергии этой точки, а также «дырки», энергия которых меньше, реагируют на магнитное поле в противоположных направлениях.

Примечательно, что даже крайне малая концентрация носителей тока в графене будет поддерживать намагничивание. Это противоречит наблюдениям других структур, в которых противоположные спины могут быть индуцированы вне зависимости от концентрации, но для намагничивания всей структуры необходимо определенное число зарядов. При этом если концентрация носителей тока падает, большинство веществ начинают вести себя как изоляторы, и намагничивание пропадает. В графене же все происходит наоборот: намагниченность присутствует, вне зависимости от концентрации носителей тока.

Еще один интересный результат состоит в том, что спин носителей заряда в графене сохраняет свою ориентацию на сравнительно больших расстояниях. Это свойство будет весьма востребовано в спинтронных и квантово-информационных приложениях. Ученые предполагают, что этот эффект также связан с существованием нейтральной точки.

Несмотря на то, что представленный в работе эксперимент – не первый случай, где лист графена намагничивался, это была первая (и весьма удачная) попытка намагничивания при помощи спинового заряда. Обнаруженный эффект важен, поскольку дает ученым путь для контроля спиновых зарядов при помощи тока. Рассуждая о будущих исследованиях, ученые предполагают, что спины могут генерироваться, даже если сам лист графена не имеет магнитного момента.

Исследователи и их коллеги считают, что обнаруженный эффект в будущем позволит создавать простые и эффективные источники спинового заряда, для которых найдется множество практических применений.