Magnetisierungstexturen in Graphen erfasst
Potenzial von SQUID-on-Tip-Geräten zur Magnetismus-Analyse in 2D-Materialien untersucht
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Hochempfindlicher Sensor der israelischen Forscher (Bild: Eli Zeldov, Surajit Dutta, weizmann.ac.il) |
Rechovot (pte003/20.10.2025/06:10)
Ein hochempfindlicher Sensor von Forschern des Weizmann Institute of Science kartiert Magnetisierungstexturen in rhomboedrischem Graphen. Ihre Forschungsergebnisse sind in "Nature Physics" nachzulesen. Die Experten haben die lokalen Magnetisierungstexturen in rhomboedrischem Graphen mithilfe eines nanoskaligen supraleitenden Quanteninterferenzgeräts (nano-SQUID) untersucht. Ihre Arbeit bietet neue Einblicke in physikalische Prozesse, die die zuvor in dem Material beobachteten korrelierten Zustände steuern.
Vielen Elektronen auf der Spur
Graphen besteht aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen und ist für seine guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften bekannt. Wird es in einem rhomboedrischen Muster gestapelt, entstehen neue elektronische Eigenschaften, darunter eine abstimmbare Bandstruktur und eine nicht-triviale Topologie. Aufgrund dieser neu auftretenden Eigenschaften können sich Elektronen in rhomboedrischem Graphen so verhalten, als würden sie von "verborgenen" Magnetfeldern beeinflusst, selbst wenn kein Magnetfeld auf sie einwirkt.
"Unsere Arbeit begann mit einer einfachen Frage: Wie ordnen sich die vier Isospin-Varianten (zwei Spins, zwei Täler) in rhomboedrischem mehrschichtigem Graphen bei niedriger Temperatur ohne externes Magnetfeld magnetisch an? In diesen Systemen fördert die hohe Zustandsdichte eine Stoner-ähnliche Instabilität, die die vierfache Entartung des nominalen metallischen Zustands aufhebt und bei abnehmender Ladungsträgerdichte Halbmetall- (zweifache) und Viertelmetall- (einfache) Phasen erzeugt. Diese symmetriegebrochenen Metalle sind vielversprechend für nichtflüchtige Speicher und ein fruchtbares Feld für korrelierte Physik", so der leitende Autor Eli Zeldov.
Magnetstrukturen abgebildet
Im Rahmen ihrer Studie haben die Wissenschaftler eine Nano-SQUID-on-Tip-Sonde genutzt, also einen winzigen, hochempfindlichen supraleitenden Sensor, der auf der Spitze einer scharfen Pipette angebracht ist. Mit dieser Sonde, die bei Millikelvin-Temperaturen betrieben wird, konnten sie erstmals isospinbezogene magnetische Strukturen in mehrschichtigem Graphen direkt abbilden.
"Wir haben einige hundert Nanometer über den dual-gated rhomboedrischen Tetralayer-Graphen-Bauelementen in einem Vektormagnetfeld gescannt. Der Sensor ist extrem empfindlich und kann Magnetfeldstärken bis zu zehn Nanotesla messen. Um das magnetische Muster zu erhalten, modulieren wir die Elektronendichte, indem wir kleine Wechselspannungen an die Gates anlegen. Diese winzige Dichteänderung verändert die Magnetisierung der Probe, was wiederum ein lokales Wechselstrom-Streumagnetfeld erzeugt, das vom SQUID-on-Tip erfasst wird", sagt Ko-Autor Surajit Dutta.
Die Forscher sammelten die ersten experimentellen Erkenntnisse über die Muster des richtungsabhängigen Magnetismus in zwei exotischen Quantenphasen von mehrschichtigem rhomboedrischem Graphen. Diese Phasen sind als spinpolarisierte Halbmetall- und spin-tal-polarisierte Viertelmetallphasen bekannt. "Wir stellten fest, dass die Spins im Halbmetall eine sehr schwache Anisotropie aufweisen - ein Feld von nur einigen zehn Millitesla reicht aus, um die Spins in jede beliebige Richtung zu neigen - während die Spins in der Viertelmetallphase stark entlang der aus der Ebene heraus polarisierten Talrichtung fixiert sind", so Dutta.
Der deutliche Kontrast in der Anisotropie habe es den Forscher ermöglicht, eine Untergrenze für die Energie der Elektron-Elektron-Wechselwirkung, die Hundsche Austauschkopplung, festzulegen. Diese Energieskala war trotz ihrer Schlüsselrolle bei der Festlegung der energetischen Hierarchie zwischen konkurrierenden symmetriegebrochenen Zuständen in früheren Experimenten mit rhomboedrischen mehrschichtigen Graphen-Systemen nicht extrahiert worden.
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