Grafeenburrito’s voor magnetische detectie

Magnetische detectieapparaten maken veelal gebruik van anisotropische magnetoweerstand (AMR), een effect dat voor het eerst werd beschreven door Lord Thomson in 1857. "Thomson stelde vast dat de weerstand van ferromagnetische materialen afhankelijk is van de relatieve hoek tussen de elektrische stroom en het magnetisch veld", aldus Carmine Ortix. "De prestaties van AMR-detectieapparatuur hangen voor een groot deel af van de relatieve verandering tussen de maximale en minimale weerstand. Deze relatieve verandering is voor overgangsmetalen en legeringen hiervan, die veel worden gebruikt in AMR-sensoren, niet meer dan een paar procent."

Speciale geometrie

Ortix voorspelde, samen met Ching-Hao Chang van het Leibniz Instituut voor Vaste Stof- en Materiaalonderzoek te Dresden, dat een gigantisch AMR-effect in een speciale nanostructuur theoretisch mogelijk is. "We onderzochten een zogeheten koolstofnanorol, wat eigenlijk niets anders is dan een opgerolde laag grafeen", aldus Ortix. "Wanneer de koolstofnanorol in een relatief zwak magnetisch veld wordt geplaatst, treedt er een ongeëvenaard AMR-effect op van zo’n 80 percent."

Dit bijzonder grote AMR-effect komt door de bijzondere spiraalachtige kokervorm van de koolstofnanorol. "De geometrie maakt de natuurlijke formatie van ‘snake orbits’ mogelijk. Dit zijn ongewone elektronenbanen van ladingdragers die zich heen en weer kronkelend verplaatsen", legt Ortix uit. "Het aantal ‘snake orbits’ verandert, afhankelijk van de richting van een extern aangebracht magnetisch veld. De anisotropische magnetoweerstand is daarom geometrisch en vereist geen magnetisme of de zogenaamde spin-baanwisselwerking, die essentieel zijn voor het conventionele AMR-effect."

Nanodetectie-apparaten

Ortix verwacht dat het voorspelde effect zeer binnenkort experimenteel kan worden aangetoond door recente ontwikkelingen in de vervaardiging van hoogwaardige koolstofnanorollen. "Dit kan een stap zijn in de richting van geminiaturiseerde apparaten op nanoschaal die gebruik maken van anisotropische magnetoweerstand, voor magnetische registratie en andere toepassingen", zegt Ortix.

C.-H. Chang, C. Ortix ‘Theoretical prediction of a giant anisotropic magnetoresistance in carbon nanoscrolls‘, Nano Letters (Articles ASAP), DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00426.