שיטה חדשה לשליטה על התכונות המגנטיות של גרפן

חוקרים מאוניברסיטת מרילנד פיתחו שיטה לשליטה על התכונות המגנטיות של החומר גרפן, שיטה שתוכל להוביל ליישומים חשובים חדשים באחסון ובזיכרון מגנטי.

חוקרים מאוניברסיטת מרילנד פיתחו שיטה לשליטה על התכונות המגנטיות של החומר גרפן, שיטה שתוכל להוביל ליישומים חשובים חדשים באחסון ובזיכרון מגנטי.

הגרפן, יריעת אטומי פחמן בעובי חד-אטומי דמוית חלת-דבש, מהווה את הרכיב הבסיסי בגרפיט. חומר זה חזק פי מאתיים יותר מפלדה והוא מוליך חשמל בטמפרטורת החדר טוב יותר מכל חומר ידוע אחר. מדענים מתייחסים לחומר זה כבעל פוטנציאל רב, ואפילו מהפכני, ביישומים ננוטכנולוגיים. על גילוי הכנתו של חומר זה ניתן פרס הנובל בפיסיקה לשנת 2010 לשלושה מדענים.

במחקרם, המדענים מאוניברסיטת מרילנד גילו כי אטומים חסרים בגרפן, המכונים “חללים ריקים”, מתפקדים כמגנטים זעירים – הם בעלי מומנט מגנטי. מעבר לכך, מומנטים מגנטיים אלו מגיבים עם האלקטרונים שבגרפן, הנושאים על-עצמם מטען חשמלי, ותגובה זו מניבה תוספת משמעותית של התנגדות חשמלית בטמפרטורה נמוכה, תופעה הידועה בשם “תוצא קונדו” (Kondo effect). ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Physics.

תוצא זה קשור באופן רגיל להוספת כמות זעירה של אטומי מתכת מגנטית, כגון ברזל או ניקל, למתכת לא-מגנטית, כגון זהב או נחושת. גילוי תוצא קונדו בגרפן עבור החללים הריקים היה הפתעה משני טעמים, מציין החוקר.

“ראשית, חקרנו מערכת שהכילה אטומי פחמן בלבד, ללא הוספת כל זיהומים מגנטיים רגילים. שנית, גרפן הוא בעל צפיפות אלקטרונים נמוכה, מאפיין שצפוי להוביל להופעתו של תוצא קונדו רק בטמפרטורות נמוכות במיוחד,” מסביר החוקר.

החוקרים מדדו את הטמפרטורה האופיינית לקבלתו של תוצא קונדו בגרפן בעל חללים ריקים ומצאו כי היא שווה ל- -183.15 מעלות צלזיוס, טמפרטורה הדומה לזו המתקבלת עבור מתכות בעלות צפיפויות אלקטרונים גבוהות. יתרה מכך, עבור הגרפן ניתן לכוון את טמפרטורת קונדו באמצעות שינוי המתח החשמלי ע”י שער חשמלי – תוצאה שלא נצפתה במתכות. החוקרים סבורים כי התכונות יוצאות-הדופן הללו, הנובעות ככל הנראה מכך שהאלקטרונים בגרפן מתפקדים כאילו הם חסרי מסה, הופכות אותן גם להגיב בעוצמה עם סוגים מסוימים של זיהומים, כגון חללים ריקים, ולקבלת תוצא קונדו חזק בטמפרטורה גבוהה יחסית.

החוקר הראשי סבור כי אם ניתן יהיה לארגן את החללים הריקים בצורה הנכונה, ייתכן והגרפן יהפוך לפרו-מגנטי (ferromagnetism). “מומנטים מגנטיים פרטניים עשויים להיות מצומדים זה לזה בעקבות תוצא קונדו, דבר שיאלץ אותם להסתדר באותו הכיוון,” מוסיף החוקר. “התוצאה תהיה חומר פרו-מגנטי, בדומה לברזל, המורכב מאטומי פחמן בלבד. המגנטיות של הגרפן, אם אכן תתקבל, תוכל להוביל לפיתוח סוגים חדשניים של גלאים לנוכחות שדות מגנטיים. בנוסף, השילוב של התכונות החשמליות הייחודיות של הגרפן והמגנטיות שבו, יוכל להביא לפיתוח יישומים מעניינים בתחום של ספינטרוניקה (spintronics), המנצלת את המומנט המגנטי של האלקטרון, במקום המטען החשמלי שלו, על-מנת לייצג מידע במחשב. “המחקר שלנו מוליד את האפשרות ל”הנדסת פגמים” בגרפן – כלומר, הוצאה מבוקרת של אטומים מהנקודות המתאימות בגרפן על מנת-לקבל את התכונות המגנטיות הרצויות לנו,” מציין החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר