Ortam sıcaklığında grafenin, bilinen diğer tüm malzemelerden daha yüksek bir manyetorezistansa sahip olduğu keşfedildi. Bu özellik yeni manyetik sensörlerin geliştirilmesine yardımcı olabilir ve alışılmadık metallerin fiziğine ışık tutabilir.
Keşfinden yirmi yıl sonra grafenin tüm sürprizlerini tüketmiş olması beklenebilir. Ancak en iletken, en güçlü ve en ince malzeme şimdi bir rekor daha kırdı. İngiltere’deki Manchester Üniversitesi’nden Nobel ödüllü grafen kaşifi Andre Geim liderliğindeki bir ekibe göre grafen, oda sıcaklığında diğer tüm malzemelerden 100 kat daha fazla manyetorezistansa sahip.
Grafenin muazzam manyetik direnci
Grafenin muazzam manyetik direnci, yeni manyetik alan sensörlerinin geliştirilmesini mümkün kılarken, aynı zamanda esrarengiz “garip metaller” ile bağlantılı olabilecek elektrik iletiminin benzersiz kuantum rejimlerine deneysel bir bakış açısı sağlayabilir.
Manyetik bellekten veri okumak için kullanılanlar gibi manyetik alan sensörleri, hem yığın malzemelerde hem de çok katmanlı yapılarda bulunabilen manyetorezistans için mükemmel bir kullanım alanıdır. Bu fenomenin sınırları uzun zamandır bilim insanlarının ilgisini çekmektedir ve sonuç olarak “dev”, “muazzam” ve “olağanüstü” manyetorezistans türleri bulunmuştur. Bağlantılı malzemeler çok sayıda teslasa (T) sahip manyetik alanlara maruz bırakıldığında, dirençleri yüzde bir milyona kadar değişebilir. Bununla birlikte, en iyi sonuçları elde etmek için son derece düşük sıcaklıklara ihtiyaç vardır ve bu da ancak mümkün olmayan sıvı helyum soğutma sistemleri ile gerçekleştirilebilir.
Manyetorezistans süreci bu sıcaklık kısıtlamasına neden olan şeydir. Manyetik alanlar, akım taşıyan elektronların izlediği yolu değiştirerek bir malzemenin direnci üzerinde etkili olur. Bu nedenle, elektronların madde içindeki atomlardan sürekli olarak saçılmadan serbestçe hareket edebilmesi, büyük bir etki için gereklidir. Başka bir deyişle, alanın yolları üzerinde fark edilir bir etkiye sahip olması için elektronların çok fazla “hareketliliğe” sahip olması gerekir. Hareketlilik artan sıcaklıkla birlikte azaldığı için manyetorezistans ortam sıcaklığında genellikle ihmal edilebilir düzeydedir.
Böylece, ortam sıcaklığında bir malzeme için bildirilen en yüksek hareketliliğe sahip olan grafende uygun bir hedef belirlendi. Ancak Singapur Ulusal Üniversitesi’nden başyazar Alexey Berdyugin’e göre, elektron hareketliliği yüksek bir manyetorezistans elde etmek için yetersiz. Grafenin, akımın tek bir taşıyıcı türü -elektron- tarafından taşındığı bir metal gibi davranması nedeniyle, çoğu durumda düşük bir manyetorezistansa sahiptir. Bir metaldeki manyetorezistansın manyetik alanla hızla doyuma ulaştığı bilinmektedir; dolayısıyla güçlü bir manyetik alanın direnç üzerinde çok az etkisi vardır.
İletim ve değerlik bantları, Berdyugin, Geim ve meslektaşlarının bu doygunluğu önlemek için yarattıkları grafenin “semimetal” durumunda “temas eder”. “Yük tarafsızlık noktası”, bir yarı metalde hem pozitif yüklerin (delikler) hem de negatif yüklerin (elektronlar) akım taşıyabildiği sıcaklıktır. Bir manyetik alanın neden olduğu direnç değişiklikleri, zıt kutuplu iki taşıyıcı ile dengelenmez; bunun yerine, alan gücünün karesi ile ölçeklenmeye devam eder. Berdyugin’e göre, “Grafenin oda sıcaklığında tüm koşulları karşılayabileceğini keşfettik.
Berdyugin, Geim ve meslektaşları, yüksek kaliteli bir grafen levha kullanarak ve valans ve iletim bantlarının konumunu ayarlamak için bir voltaj kullanarak cihazlarını yük nötralite noktasında konumlandırabildiler. Araştırmacılar, 100 mT’lik çok zayıf bir manyetik alan uygularken %100 gibi yüksek bir manyetorezistans elde ettiklerini bildirmişlerdir ki bu, bilinen herhangi bir malzemede bulunan doğal manyetorezistansın 100 kat üzerinde bir gelişmedir.
İspanya’daki Fotonik Bilimler Enstitüsü’nde deneysel fizikçi olan Frank Koppens, “Grafen şaşırtmaya devam ediyor!” diye haykırıyor. Bu olağandışı davranışın hem uygulamalı hem de temel açıdan ilgi çekici olduğunu iddia ediyor. Harvard Üniversitesi yoğun madde araştırmacısı Philip Kim’e göre sonuç, son derece hassas manyetik sensörler üretebilir.
Berdyugin’e göre grafen, modern bilgisayarlarda kullanılan manyetorezistif bileşenlerden biraz daha düşük bir manyetorezistansa sahiptir. (Bu cihazların manyetorezistansı, “içsel” bir malzeme özelliğinden ziyade çeşitli malzeme katmanları arasındaki spin tünellemesinden kaynaklanan “dışsal” bir özelliktir). Ancak bu tür teknolojilerin aksine, grafenin çok daha yüksek sıcaklıklarda çalışmaya devam edebileceğini ve yeni kullanımlara kapı açabileceğini iddia ediyor.
Manyetik alan daha da yükseltildiğinde, araştırmacılar malzemelerin nasıl tepki verdiğine de baktılar. Alan 1-T ölçeğine kadar büyüdüğünde, özdirencin ikinci dereceden ölçeklendirmesinin doğrusal bir ölçeklendirmeye dönüştüğünü keşfettiler. İkinci dereceden doğrusal ölçeklemeye geçiş, egzotik bir kuantum iletim rejimine geçişi akla getirirken, Berdyugin bu olay için mikroskobik bir teori oluşturmak için daha fazla araştırma yapılması gerektiğini iddia ediyor.
Manyetik alandaki yüklü parçacıkların yörüngelerinin kuantize olduğu bu rejimde, tüm parçacıklar eş zamanlı olarak bu kuantize durumların sıfır enerji seviyesinde bulunur.
Berdyugin’e göre, bu “kuantum yarı metal” rejimi, düşük sıcaklıklarda metalik, yüksek sıcaklıklarda ise süper iletken olarak kabul edilen iletim teorilerine meydan okuyan bir malzeme ailesi olan garip metallerle birçok özelliği paylaşıyor. Her iki sistem de “Planckian” elektron saçılımına sahiptir, bu da saçılım zaman ölçeğinin yalnızca Heisenberg belirsizlik ilkesi tarafından kısıtlandığı ve uygulanan alanla doğrusal olarak ölçeklenen manyetorezistansa sahip olduğu anlamına gelir. Berdyugin’e göre grafenin kuantum rejimi, olağandışı metallerle ilgili fiziği araştırmak için bir model sistem olarak kullanılabilir. Kim de aynı fikirde. Tuhaf metallerle karşılaştırma oldukça makul.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/64
