В однослойном графене нашли гигантское магнитосопротивление

Британские физики обнаружили, что высококачественные образцы однослойного нейтрального графена демонстрируют гигантское магнитосопротивление. Характер того, как продольное сопротивление зависит от индукции магнитного поля, отличался в пределе слабых и сильных полей. Ученые выяснили, что в этих режимах дираковская плазма по-разному чувствительна к электрон-дырочным рекомбинациям, и, как следствие, к температуре. Для объяснения экспериментальных закономерностей исследователям потребовалось разработать новую модель магнитотранспорта в графене. Исследование опубликовано в Nature.

Магнитосопротивлением называют зависимость электрического сопротивления материала от приложенного магнитного поля. Этот эффект известен более века и находит применение в электронике. Несмотря на это, физики не до конца его понимают, особенно учитывая то, насколько по-разному он себя проявляет в различных материалах.

Каким бы ни был механизм магнитосопротивления в каждом конкретном случае, он всегда опирается на искривление траекторий зарядов под действием силы Лоренца и их высокую подвижность. Таким свойством, например, обладают некоторые полуметаллы при гелиевых температурах. С ее ростом подвижность падает, вместе с ней снижается и эффект магнитосопротивления. Подвижность можно поддерживать высокой в системах с нескомпенсированным зарядом, однако этот фактор приводит к тому, что продольное сопротивление быстро теряет чувствительность к магнитному полю.

Высокую подвижность зарядов (более ста тысяч квадратных сантиметров на вольт-секунду) можно получить при комнатной температуре и в однослойном графене, когда его поверхность Ферми проходит через точки смыкания конусов дисперсионных соотношений — точки электронейтральности (charge neutrality points). Подробнее про эту физику мы рассказывали в материале «Тонко закручено». Сравнительно высокая температура приводит к повсеместному возбуждению электронов и дырок, чье поведение можно описать с помощью нейтральной дираковской плазмы.

Заряды в такой плазме довольно быстро рекомбинируют, что было принято считать фактором, подавляющим магнитосопротивление. Группа британских физиков при участи Андрея Гейма (Andre Geim) из Манчестерского университета смогла экспериментально доказать, что это не всегда так. Они обнаружили гигантское магнитосопротивление в однослойном листе графена, в котором мало дефектов. Оказалось, что эффект имеет разный характер в зависимости от того, возникает ли в графене квантование энергетических уровней зарядов под действием магнитного поля.

Свои эксперименты физики проводили на образцах монослоя графена, инкаплусированного слоями нитрида бора, с присоединенными к нему электродами. Для сравнения они изготавливали аналогичные образцы с двух- и многослойным графеном (графитом). На первом этапе они исследовали зависимость продольного сопротивления образца от небольшого (до 0,1 тесла) магнитного поля, перпендикулярно приложенного к листу. Оказалось, что в однослойном графене с достаточно малым числом дефектов сопротивление растет с индукцией магнитного поля по квадратичному закону, достигая прироста в несколько сотен процентов в зависимости от температуры.

Степень крутизны роста позволила извлечь из опытов магнитотранспортную подвижность. Как и подвижность в отсутствии магнитного поля, этот параметр убывал по мере нагрева образца, но отличался в большую сторону в 2-3 раза. Физики объяснили это тем, как двигаются относительно друг друга электроны и дырки. При нулевом магнитном поле электроны движутся навстречу дыркам и их рекомбинация существенно снижает ток. В магнитном же поле и положительные, и отрицательные заряды приобретают одинаково направленную поперечную компоненту скорости из-за циклотронного искажения их траектории. Таким образом, столкновения электронов и дырок практически не влияют на холловский ток, ответственный за магнитосопротивление. Авторы дополнительно убедились в этом, экранируя кулоновское рассеяние с помощью присоединенных к краям графена электродов: подвижность нулевого поля при этом выросла, а магнитотранспортная подвижность не изменилась.

На следующем этапе физики прикладывали более сильные магнитные поля (до 10 тесла), при которых движение зарядов в образце начинает квантоваться. Продольное сопротивление продолжило свой рост, достигнув нескольких тысяч процентов от значения при нулевом поле, но теперь он имел линейный характер. В таком режиме поведение магнитосопротивления изменилось. Во-первых, угол наклона перестал зависеть от температуры, а во вторых он приобрел сильную чувствительность к экранированию кулоновского взаимодействия.

Ученые не нашли объяснения увиденному в существующих моделях. Для качественной интерпретации результатов они стали рассматривать центры циклотронных орбит электронов и дырок в дираковской плазме как отдельные квазичастицы, двигающиеся по эквипотенциальным контурам. Простая модель Друде предписывает магнитосопротивлению квадратичную зависимость от индукции, но в случае таких квазичастиц она смягчается до линейной.

Модель также смогла объяснить независимость подвижности от температуры в предположении, что заряды занимают преимущественно основной уровень Ландау. Для этого физики рассмотрели диффузию квазичастиц между отдельными электрон-дырочными лужами, формирующимися на дефектах. Авторы, однако, подчеркивают, что модель носит качественный характер, и требуются дополнительные исследования в этом направлении.

Ранее мы рассказывали, как антисимметричное магнитосопротивление обнаружили в трехслойном ван-дер-ваальсовом ферромагнетике.