В конце прошлого года команда китайских ученых с помощью ab initio расчетов предсказала магнитоэлектрический эффект в двойном слое графена . Учитывая повышенный интерес к графену можно ожидать развития данной тематики ближайшее время, поэтому данный эффект заслуживает подробного рассмотрения.

Командой китайских учёных под руководством Zh.Zhang были рассмотрены свойства ленты графена зигзагообразной формы, для которой ранее предсказывали наличие двух магнитных подрешеток, что дает магнитные моменты противоположного знака на краях ленты (рис. 1). Также появлялись сообщения о скрытых сегнетоэлектрических свойствах такой ленты. Так что вполне логично было задаться вопросом, а не возникает ли в ней под действием электрического поля пропорциональный ему магнитный момент, т.е. имеет ли место линейный магнитоэлектрический эффект?

Рис. 1. Лента графена зигзагообразной формы (вид сверху). Красным и синим обозначены атомы углерода, принадлежащие к разным подрешеткам с противоположным направлением спина, обводкой выделены некомпенсированные магнитные моменты на краях

Оказывается, такой эффект можно смоделировать в системе из двухслойной ленты графена на подложке из кремния (рис. 2). В этом случае нижний слой ленты образует sp3 связи с подложкой и не проявляет магнитных свойств, а верхний слой графена, в силу слабости связи с нижележащим слоем, сохраняет свойства свободной ленты и, соответственно, на краях ленты образуются магнитные моменты противоположного знака.

Возникает ситуация, при которой, вследствие обменного расщепления, на левом краю электроны со спином вверх формируют валентную зону, а электроны со спином вниз – зону проводимости (у правого края, соответственно, наоборот). Приложение напряжения смещения между подложкой и верхним слоем приводит к тому, что электроны, поступающие из подложки, заполняют преимущественно уровни энергии электронов валентной зоны, тем самым, приводя к изменениям магнитных моментов обоих краев, пропорциональным приложенному полю.

Рис. 2. Двухслойная лента на кремниевой подложке, вид сбоку. Желтые шарики – кремний, черные и сиреневые – разные подрешетки углерода, белые – водород. На краях ленты – магнитные моменты разных знаков

В отличие от классического линейного магнитоэлектрического эффекта, обусловленного смещением атомов под действием электрического поля (которое, в свою очередь, изменяет зоны перекрытия электронных облаков и обменное взаимодействие магнитных ионов), в данной разновидности магнитоэлектрического эффекта электрическое поле изменяет обменное расщепление электронных состояний на краю ленты. Отметим здесь, что для обычного линейного магнитоэлектрического эффекта характерна обратимость – электрическая поляризация также может быть порождена магнитным полем, но вопрос об обратимости эффекта в графене остался за пределами рассмотрения работы. Теперь остается ждать экспериментальных работ в этой области.