Материалы, которые сильно изменяют свое удельное сопротивление под действием магнитных полей, пользуются большим спросом для различных применений, и, например, каждый автомобиль и каждый компьютер содержат множество крошечных магнитных датчиков. Такие материалы встречаются редко, и большинство металлов и полупроводников изменяют свое электрическое сопротивление лишь на ничтожную долю процента при комнатной температуре и в практически жизнеспособных магнитных полях (как правило, менее чем на миллионную долю 1%). Чтобы наблюдать сильную реакцию магнитосопротивления, исследователи обычно охлаждают материалы до температуры жидкого гелия, чтобы электроны внутри меньше рассеивались и могли следовать циклотронным траекториям.

Теперь исследовательская группа, возглавляемая профессором сэром Андре Геймом, обнаружила, что старый добрый графен, который, казалось, был изучен во всех деталях за последние два десятилетия, демонстрирует удивительно сильную реакцию, достигающую более 100% в магнитных полях стандартных постоянных магнитов (около 1000 Гаусс). Это рекордное магниторезистивное сопротивление среди всех известных материалов.

Говоря об этом последнем открытии графена, сэр Андре Гейм сказал: "Люди, работающие над графеном, такие как я, всегда чувствовали, что эта золотая жила физики должна была быть давно исчерпана. Материал постоянно доказывает, что мы ошибались, находя еще одно воплощение. Сегодня я должен снова признать, что графен мертв, да здравствует графен".

Чтобы достичь этого, исследователи использовали высококачественный графен и настроили его на его внутреннее, первичное состояние, в котором были только носители заряда, возбуждаемые температурой. Это создало плазму из быстро движущихся "фермионов Дирака", которые демонстрировали удивительно высокую подвижность, несмотря на частое рассеяние. Как высокая подвижность, так и нейтральность этой плазмы Дирака являются важнейшими компонентами сообщаемого гигантского магнитосопротивления.

"За последние 10 лет электронное качество графеновых устройств значительно улучшилось, и все, похоже, сосредоточились на поиске новых явлений при низких температурах жидкого гелия, игнорируя то, что происходит в условиях окружающей среды. Возможно, это не так уж удивительно, потому что чем холоднее ваш образец, тем интереснее обычно становится его поведение. Мы решили усилить нагрев, и неожиданно обнаружилось множество неожиданных явлений", - говорит доктор Алексей Бердюгин, автор статьи.

В дополнение к рекордному магниторезистивному сопротивлению исследователи также обнаружили, что при повышенных температурах нейтральный графен становится так называемым "странным металлом". Это название, данное материалам, в которых рассеяние электронов становится в конечном счете быстрым, определяемым только принципом неопределенности Гейзенберга. Поведение странных металлов плохо изучено и остается загадкой, которая в настоящее время исследуется во всем мире.

Манчестерская работа добавляет еще немного загадочности в эту область, показывая, что графен проявляет гигантское линейное магнитосопротивление в полях выше нескольких Тесла, которое слабо зависит от температуры. Это магнитосопротивление в высоком поле снова является рекордным.

Явление линейного магнитосопротивления оставалось загадкой более века с тех пор, как оно было впервые замечено. Текущая работа в Манчестере дает важные подсказки о происхождении странного поведения металла и линейного магнитосопротивления. Возможно, теперь эти тайны могут быть окончательно разгаданы благодаря графену, поскольку он представляет собой чистую, хорошо охарактеризованную и относительно простую электронную систему.

"Нелегированный высококачественный графен при комнатной температуре дает возможность исследовать совершенно новый режим, который в принципе мог быть открыт еще десять лет назад, но почему-то был всеми упущен из виду. Мы планируем изучить этот режим странных металлов, и, несомненно, за этим последуют другие интересные результаты, явления и приложения", - добавляет доктор Леонид Пономаренко, один из ведущих Природа авторы статьи.