Сверхчувствительный датчик впервые показал магнитные текстуры в графене

Локальная магнитометрия состояний с нарушенной симметрией. Верхняя панель: нанопетля СКВИД на острие сканирует устройство, раскрывая локальную магнитную структуру; врезка: растровый электронный микроскоп изготовленной СКВИД-петли на кончике острия. Нижняя панель: карта сигнала переменного магнитного поля в реальном пространстве для спинового угла наклона θ_s= ±45°. Сигнал меняет полярность на противоположных краях образца (пунктирные линии). Синие круглые области внутри образца — пузыри от захваченных остатков полимеров. Авторы: профессор Эли Зельдов и доктор Сураджит Дутта.

Исследователи из Научного института Вейцмана впервые визуализировали локальные магнитные текстуры в ромбоэдрическом графене с помощью наноразмерного сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД). Работа, опубликованная в Nature Physics, дает новое представление о физических процессах в этом материале.

«Наша статья началась с простого вопроса: как четыре изоспиновых степени свободы (два спина, две долины) магнитно упорядочиваются в ромбоэдрическом мультислойном графене при отсутствии внешнего магнитного поля и низкой температуре?» — пояснил профессор Эли Зельдов, руководитель группы и старший автор статьи.

В отличие от предыдущих исследований, которые использовали объемные зонды в сильных магнитных полях, группа профессора Зельдова применила нано-СКВИД-на-острие — сверхчувствительный сверхпроводящий датчик, способный измерять магнитное поле до 10 нанотесла. Этот зонд, работающий при милликельвиновых температурах, позволил напрямую визуализировать магнитные текстуры, связанные с изоспином.

«Мы сканировали на высоте нескольких сотен нанометров над устройствами из ромбоэдрического четырехслойного графена внутри векторного магнитного поля», — объяснил доктор Сураджит Дутта. «Крошечное изменение плотности электронов меняет намагниченность образца, что, в свою очередь, создает локальное переменное магнитное поле, обнаруживаемое СКВИД-на-острие».

Ученые получили первые экспериментальные данные о магнитной анизотропии в двух экзотических квантовых фазах графена: спиново-поляризованном полуметалле и спиново-долинно-поляризованном четвертьметалле.

«Мы обнаружили, что в полуметалле спины имеют очень слабую анизотропию — поля всего в десятки миллитесла достаточно, чтобы наклонить спины в любом направлении, тогда как в фазе четвертьметалла спины сильно закреплены вдоль поляризованного внеплоскостного направления долины», — сказал доктор Дутта.

Этот контраст в анизотропии позволил установить нижнюю границу энергии электрон-электронного взаимодействия — обменного взаимодействия Хунда, которая ранее не измерялась экспериментально.

В будущем исследователи планируют изучить, как магнитная текстура меняется с температурой, чтобы определить точку Кюри, а также исследовать связь магнитного упорядочивания с квантовыми аномальными состояниями Холла и возможной сверхпроводимостью в семействе ромбоэдрических графенов.