Graphene, một loại vật liệu kỳ diệu được mọi người yêu thích, dường như luôn có những điều bất ngờ. Các nhà vật lý tại MIT hiện đã khám phá ra một trạng thái điện tử hoàn toàn mới khác ẩn giấu trong vật liệu nhỏ đáng chú ý này – thứ mà họ đặt cho một cái tên gây tò mò – “thung lũng sắt”.
Graphene về cơ bản chỉ là một lớp than chì siêu mỏng thông thường -- rất mỏng, trên thực tế, nó chỉ dày một nguyên tử. Nhưng bất chấp sự khởi đầu khiêm tốn, graphene vẫn siêu bền, siêu dẫn, linh hoạt và có tiềm năng cách mạng hóa mọi thứ, từ điện tử, quần áo đến kỹ thuật hàng không vũ trụ. Khi bạn bắt đầu xếp chồng các tấm graphene và thậm chí xoắn chúng theo những góc cụ thể, những khả năng phi thường khác sẽ trở nên rõ ràng, chẳng hạn như từ tính hoặc siêu thấm nước.
Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu MIT đã phát hiện ra một loại vật liệu khác - "hành vi đa sắt", rất hiếm trong thế giới vật liệu. Vật liệu sắt là vật liệu có các hạt có hành vi phối hợp - ví dụ, tất cả các electron của nam châm sẽ hướng spin của chúng theo cùng một hướng ngay cả khi không có từ trường bên ngoài. Multiferroics là những vật liệu thể hiện nhiều hơn một hành vi phối hợp, chẳng hạn như từ tính hướng theo một hướng và điện tích hướng theo hướng khác.
Các nhà nghiên cứu tính toán rằng trong những trường hợp rất đặc biệt, graphene sẽ trở thành vật liệu đa sắt. Về mặt lý thuyết, hiện tượng đa sắt chỉ xảy ra khi năm lớp graphene xếp chồng lên nhau, với mỗi lớp lệch nhau một chút sao cho tổng thể ba chiều tạo thành một hình thoi.
Trong graphene năm lớp, các electron ở trong môi trường mạng tinh thể, nơi chúng chuyển động rất chậm, cho phép chúng tương tác hiệu quả với các electron khác. Đây là khi các hiệu ứng liên quan đến điện tử bắt đầu chiếm ưu thế và chúng có thể bắt đầu phối hợp thành các trật tự ferit ưa thích nhất định.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu bắt đầu xác nhận lý thuyết này trong thực tế, cạo các mảnh graphene khỏi khối than chì và kiểm tra chúng bằng kính hiển vi mạnh để tìm ra một số có hình dạng hình thoi lý tưởng một cách tự nhiên. Sau đó, họ cô lập một số loại graphene mà họ tìm thấy và nghiên cứu chúng ở nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối, nơi các hiệu ứng khác yếu đi nên chỉ có graphene mà họ đang tìm kiếm phát sáng.
Chắc chắn, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các electron trong các vảy đặc biệt này phản ứng đồng nhất với điện trường theo một hướng và từ trường theo hướng kia, xác nhận hành vi đa sắt. Nhưng ngay cả những hành vi riêng lẻ này cũng không bình thường – từ tính phát sinh từ sự phối hợp chuyển động quỹ đạo của các electron chứ không phải spin của chúng. Hành vi điện tử là kết quả của việc các electron ưu tiên đi vào một "thung lũng" (hoặc trạng thái năng lượng thấp nhất), thay vì đi trung bình vào hai thung lũng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu gọi trạng thái điện tử đặc biệt này là “tài sản của thung lũng sắt”.
"Chúng tôi biết điều gì đó thú vị đang diễn ra trong cấu trúc này, nhưng chúng tôi không biết nó là gì cho đến khi thử nghiệm nó", Zhengguang Lu, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy thiết bị điện tử ở thung lũng sắt và cũng là lần đầu tiên chúng tôi thấy thiết bị điện tử ở thung lũng sắt cùng tồn tại với các loại sắt từ độc đáo.”
Các nhà nghiên cứu cho biết hành vi đặc biệt này cuối cùng có thể được khai thác để tăng gấp đôi hiệu quả dung lượng lưu trữ dữ liệu của chip.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.