Журнал Nature Communications сообщает о том, что учёным из Гельмгольцевского центра (Берлин, Германия) и их коллегам из Санкт-Петербурга, Юлиха (Германия) и Гарварда (США) удалось усилить спин-орбитальное взаимодействие проводящих электронов в графене в 10 тыс. раз.

В исследовании под руководством Андрея Варыхалова (Andrei Varykhalov) и Оливера Радера (Oliver Rader) слой графена наносился на поверхность никелевого субстрата, атомы которого расположены на том же расстоянии друг друга, что и атомы углерода в графене. Затем физики нанесли на образец атомы золота, которые расположились между графеном и никелем.

Рис. 1. Топография графена на золоте, сканирующая туннельная микроскопия (изображение HZB / Andrei Varykhalov).

Используя различные фотоэлектронные спектрометры, учёные смогли измерить происходящие изменения в электронных свойствах графена. Подобно Земле, электроны обладают двумя угловыми моментами: орбитальным, позволяющим им обращаться вокруг ядер, и спиновым, отвечающим за вращение вокруг собственной оси.

Таким образом, сильное спин-орбитальное взаимодействие означает бóльшую энергетическую разницу в зависимости от того, происходят ли оба вращения в одном или противоположных направлениях.

В случае лёгких атомов, таких как углерод, спин-орбитальное взаимодействие проявляется довольно слабо, в то время как у тяжёлых элементов вроде золота оно может достигать гигантских значений.

Исследователи показали, что

интеркаляция атомов золота в пространство между графеном и никелем способна обеспечить возникновение гигантского спин-орбитального расщепления (~100 мэВ, эффект Рашбы).

Фотоэлектронная спектроскопия выявила, что его источником является гибридизация π-электронов графена с 5d-состояниями золота. Но эффект наблюдался только в точках наименьшего расстояния между атомами золота и графеном (неравновесное состояние), в то время как интерфейс графен — золото в равновесном состоянии не мог дать усиление больше 10 мэВ.