石墨烯是一种极薄的碳，被认为是一种真正的奇迹材料。一个国际研究小组现在在德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心 (HZDR) 进行实验，为其多样化特性增添了另一个方面：由杜伊斯堡-埃森大学 (UDE) 领导的专家们发射了微米尺寸的短太赫兹脉冲石墨烯圆盘，它短暂地将这些微小的物体变成了令人惊讶的强磁铁。这一发现可能对开发未来的磁性开关和存储设备有用。该工作组在科学在线期刊《自然通讯》(DOI：10.1038/s41467-023-43412-x)上发表了其研究成果。
石墨烯由仅一层碳原子的超薄薄片组成。但这种直到 2004 年才被发现的材料却显示出非凡的特性。其中之一是它具有极好的导电能力，而这正是来自德国、波兰、印度和的国际研究人员所利用的。
他们使用现有的半导体技术将数千个微小的微米大小的石墨烯圆片应用到一个小芯片上。然后将该芯片暴露于微波和红外范围之间的特定类型的辐射：短太赫兹脉冲。
为了达到最佳条件，由 UDE 领导的工作组使用了一种特殊的光源进行实验：HZDR 的 FELBE 自由电子激光器可以产生极强的太赫兹脉冲。令人惊讶的结果是：“微小的石墨烯盘短暂地变成了电磁体，”HZDR 物理学家 Stephan Winnerl 博士报告道。
“我们能够产生 0.5 特斯拉范围内的磁场，大约是地球磁场的一万倍。” 这些是短磁脉冲，只有大约十皮秒或十亿分之一秒长。
辐射脉冲搅动电子
成功的先决条件：研究人员必须以特定的方式使太赫兹闪光偏振。专门的光学器件改变了辐射的振荡方向，使其在空间中螺旋移动。
当这些圆偏振闪光击中微米大小的石墨烯圆盘时，决定性的效果发生了：在辐射的刺激下，圆盘中的自由电子开始旋转——就像用木勺搅拌桶中的水一样。而且，由于根据物理基本定律，循环电流总是会产生磁场，因此石墨烯圆盘会突变成微小的电磁体。
“这个想法实际上非常简单，”杜伊斯堡-埃森大学教授马丁·米滕多夫说。“事后看来，我们很惊讶以前没有人这样做过。” 同样令人惊讶的是该过程的效率：与用光照射金纳米粒子的实验相比，HZDR 的实验效率提高了一百万倍，这是一个令人印象深刻的提高。这种新现象最初可用于科学实验，在科学实验中，材料样品暴露在短而强的磁脉冲下，以更详细地研究某些材料特性。
优点：“使用我们的方法，磁场不会像许多其他方法那样反转极性，”Winnerl 解释道。“因此，它仍然是单极的。” 换句话说，在石墨烯盘发出的磁脉冲持续的十皮秒内，北极仍然是北极，南极仍然是南极——这对于某些系列实验来说是一个潜在的优势。
磁电子学的梦想
从长远来看，这些微小的磁铁甚至可能对某些未来技术有用：当超短辐射闪光产生它们时，石墨烯圆盘可以执行极其快速和精确的磁切换操作。例如，这对于磁存储技术以及所谓的自旋电子学(磁性电子学的一种形式)来说都很有趣。
在这里，处理器中流动的不是电荷，而是电子自旋形式的弱磁场像小警棍一样传递。希望这可以再次显着加快切换过程。石墨烯盘可以用作可切换电磁体来控制未来的自旋电子芯片。
然而，专家们必须为此目的发明非常小的、高度微型化的太赫兹源——当然还有很长的路要走。“你不能使用成熟的自由电子激光器来实现这一点，就像我们在实验中使用的那样，”Stephan Winnerl 评论道。“尽管如此，实验室桌子上安装的辐射源应该足以用于未来的科学实验。” 在一些研究设施中已经可以找到这种更加紧凑的太赫兹源。
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