Signatures of a ferro-Josephson effect in twisted graphene

In de wereld van de moderne elektronica zoeken wetenschappers voortdurend naar materialen die informatie op nieuwe manieren kunnen dragen, vaak door het manipuleren van de minuscule magnetische spins van elektronen. Decennialang lag de focus op hoe deze spins zich gedragen wanneer ze een grens tegenkomen tussen regio's met een verschillende magnetische uitlijning, bekend als domeinwanden. In standaard magnetische materialen zorgt het door een dergelijke wand duwen van een elektrische stroom er meestal alleen voor dat de wand verschuift of vast komt te zitten, een proces dat wordt aangedreven door wrijvingsachtige krachten. Echter, er bestaat een meer exotische mogelijkheid waarbij de stroom van elektriciteit de wand niet alleen beweegt, maar de magnetische momenten binnen de wand ook in een ritmische manier doet wankelen of draaien. Deze ritmische beweging, indien aanwezig, zou een spanning kunnen genereren op een manier die fundamenteel verschilt van gewone weerstand, waardoor een signaal ontstaat dat verbonden is aan de snelheid van de rotatie van de spin in plaats van aan de sterkte van de stroom. Het begrijpen of dit fenomeen geobserveerd en gecontroleerd kan worden in nieuwe materialen is cruciaal voor het ontwikkelen van toekomstige technologieën die vertrouwen op de precieze manipulatie van elektronenspins.

Een team van onderzoekers heeft nu sterk bewijs gevonden voor dit effect in een gespecialiseerd apparaat gemaakt van gedraaide lagen grafeen. Door een enkele laag grafeen bovenop drie lagen van hetzelfde materiaal te stapelen en deze licht ten opzichte van elkaar te draaien, creëerden zij een structuur waar elektronen zich op een hoogst gecoördineerde, collectieve wijze gedragen. Wanneer zij dit apparaat afkoelden tot extreem lage temperaturen en specifieke elektrische instellingen toepasten, ontdekten zij dat het materiaal spontaan regio's ontwikkelde met verschillende magnetische oriëntaties. De meest opmerkelijke ontdekking vond plaats toen zij een klein magnetisch veld parallel aan het oppervlak van het materiaal aanlegden. Bij exact nul veld piekte de elektrische weerstand van het apparaat dramatisch, maar alleen wanneer er een kleine stroom liep. Zodra de stroom werd uitgeschakeld, verdween de piek. Dit gedrag suggereerde dat de stroom zelf de magnetische grenzen liet draaien, waardoor een dynamische staat ontstond die de stroom van elektriciteit tegenwerkt.

De onderzoekers observeerden dat deze weerstandspiek ongelooflijk gevoelig was voor de richting en sterkte van het magnetische veld. Zelfs een veld zo zwak als een paar honderd microtesla was voldoende om het effect te onderdrukken, waardoor de magnetische grenzen in een vaste positie werden gedwongen totdat de stroom sterk genoeg werd om die blokkade te overwinnen. Deze drempelstroom groeide lineair met het magnetische veld, een relatie die overeenkwam met een theoretische voorspelling voor een fenomeen dat de auteurs het ferro-Josephson-effect noemen. In dit scenario werkt de stroom als een koppel (torque), die probeert de magnetische momenten binnen de wand te verdraaien. Wanneer het magnetische veld nul is, zijn de momenten vrij om te draaien, en deze draaibeweging genereert een spanningsval die eruitziet als een scherpe piek in de weerstand. Wanneer een klein magnetisch veld wordt toegepast, werkt dit als een rem die de momenten op hun plaats houdt, totdat de stroom sterk genoeg is om die grip te verbreken en de draaibeweging te herstarten. De onderzoekers bevestigden dat dit effect niet wordt veroorzaakt door de stroom die het materiaal simpelweg opwarmt of de magnetische wanden langs fysieke obstakels duwt, aangezien die mechanismen niet een zulke precieze afhankelijkheid van het magnetische veld zouden vertonen of zo schoon zouden verdwijnen wanneer de stroom wordt verwijderd.

Om te bewijzen dat het effect steunde op de specifieke arrangement van magnetische domeinen, voerde het team experimenten uit waarbij zij de magnetische staat van het materiaal doelbewust resetten. Zij ontdekten dat de weerstandspiek alleen zou verschijnen als het materiaal een specifieke mix van magnetische regio's bevatte: één regio waar de spins stevig in een verticale richting waren vergrendeld door de interne structuur van het materiaal, en een naburige regio waar de spins gemakkelijk in het horizontale vlak konden roteren. Wanneer de onderzoekers een extern magnetisch veld gebruikten om alle spins in dezelfde richting uit te lijnen, verdween de weerstandspiek. Echter, zodra zij het veld weer door nul lieten gaan, draaide de gemakkelijk te roteren regio zijn richting om terwijl de vergrendelde regio op zijn plaats bleef, waardoor de grens die nodig is voor het effect werd gerecreëerd. Dit gedrag bevestigde dat het fenomeen een direct resultaat was van de interactie tussen de stromende stroom en de grens tussen deze twee verschillende magnetische toestanden.

De studie benadrukt dat dit effect opereert op energieschalen die veel kleiner zijn dan de thermische energie aanwezig is, zelfs bij de laagste experimentele temperaturen, wat suggereert dat het een puur kwantummechanisch proces is dat wordt aangedreven door de collectieve beweging van elektronen. De onderzoekers merken op dat hoewel hun verklaring perfect bij de data past, de exacte details van hoe de elektronen met de draaiende wand interageren nog steeds worden verfijnd. Zij stellen voor dat het effect kan dienen als een uiterst gevoelige tool om de onzichtbare magnetische texturen binnen deze materialen te verkennen, wat een nieuwe manier biedt om te bestuderen hoe elektronen zichzelf organiseren in complexe kwantumsystemen. Door aan te tonen dat een eenvoudige elektrische stroom een ritmische, draaiende beweging in magnetische grenzen kan induceren, opent het werk een nieuw hoofdstuk in het begrijpen van hoe we deze subtiele magnetische dynamiek kunnen controleren en benutten in toekomstige elektronische apparaten.