開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)方法揭開了二維材料中自旋結(jié)構(gòu)的秘密

二十年來，物理學(xué)家一直試圖直接操縱石墨烯等二維材料中的電子自旋。這樣做可以在蓬勃發(fā)展的二維電子學(xué)世界中帶來關(guān)鍵性的進(jìn)展，在這個(gè)領(lǐng)域中，超快、小型和靈活的電子設(shè)備會(huì)根據(jù)量子力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。

阻礙科學(xué)家們測(cè)量電子自旋的典型方法--一種使物理宇宙中的一切具有結(jié)構(gòu)的基本行為--通常在二維材料中不起作用。這使得充分了解這些材料并推動(dòng)基于它們的技術(shù)進(jìn)步變得異常困難。但是由布朗大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們現(xiàn)在有辦法解決這一長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)。他們?cè)?月11日發(fā)表在《自然-物理》雜志上的一項(xiàng)新研究中描述了他們的解決方案。

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)--其中還包括來自桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室綜合納米技術(shù)中心和因斯布魯克大學(xué)的科學(xué)家--描述了他們認(rèn)為是第一次顯示二維材料中旋轉(zhuǎn)的電子與來自微波輻射的光子之間直接互動(dòng)的測(cè)量。據(jù)研究人員稱，電子對(duì)微波光子的吸收被稱為耦合，它建立了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，用于直接研究電子在這些二維量子材料中如何旋轉(zhuǎn)的特性--這種技術(shù)可以作為開發(fā)基于這些材料的計(jì)算和通信技術(shù)的基礎(chǔ)。

"自旋結(jié)構(gòu)是量子現(xiàn)象中最重要的部分，但我們從來沒有真正在這些二維材料中直接探測(cè)過它，"布朗大學(xué)物理學(xué)助理教授、該研究的資深作者李佳說。"這一挑戰(zhàn)使我們?cè)谶^去20年里無法從理論上研究這些迷人的材料中的自旋。我們現(xiàn)在可以用這種方法來研究很多以前無法研究的不同系統(tǒng)。"

研究人員在一種相對(duì)較新的二維材料上進(jìn)行了測(cè)量，這種材料被稱為"魔角"扭曲雙層石墨烯。這種基于石墨烯的材料是在兩片超薄的碳層堆疊并扭曲到恰到好處的角度時(shí)產(chǎn)生的，將新的雙層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為一種超導(dǎo)體，使電力流動(dòng)沒有阻力或能量浪費(fèi)。2018年剛剛發(fā)現(xiàn)，研究人員專注于這種材料，因?yàn)閲@它的潛力和神秘感。

"2018年提出的很多重大問題仍未得到解答，"領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的布朗大學(xué)Li實(shí)驗(yàn)室的研究生Erin Morissette說。

物理學(xué)家通常使用核磁共振或NMR來測(cè)量電子的自旋。他們通過使用微波輻射激發(fā)樣品材料的核磁特性，然后讀取這種輻射引起的不同特征來測(cè)量自旋。

二維材料所面臨的挑戰(zhàn)是，電子對(duì)微波激發(fā)的磁性特征太小，無法檢測(cè)。該研究小組決定隨機(jī)應(yīng)變。他們沒有直接檢測(cè)電子的磁化，而是使用布朗大學(xué)分子和納米創(chuàng)新研究所制造的設(shè)備測(cè)量電子電阻的細(xì)微變化，這些變化是由輻射的磁化變化引起的。電子電流流動(dòng)的這些細(xì)微變化使研究人員能夠使用該設(shè)備檢測(cè)電子正在吸收微波輻射的照片。

研究人員能夠從實(shí)驗(yàn)中觀察到新的信息。例如，研究小組注意到，光子和電子之間的相互作用使該系統(tǒng)某些部分的電子表現(xiàn)得像在反鐵磁系統(tǒng)中一樣--這意味著一些原子的磁性被一組以相反方向排列的磁性原子所抵消了。

研究二維材料中自旋的新方法和目前的發(fā)現(xiàn)不會(huì)適用于今天的技術(shù)，但研究小組看到了該方法在未來可能導(dǎo)致的潛在應(yīng)用。他們計(jì)劃繼續(xù)將他們的方法應(yīng)用于扭曲的雙層石墨烯，但也將其擴(kuò)展到其他二維材料。

Morissette說："這是一個(gè)真正多樣化的工具集，我們可以用它來獲取這些強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)中電子秩序的一個(gè)重要部分，并在總體上理解電子在二維材料中的行為。"

標(biāo)簽： 物理學(xué)研究 石墨烯材料 二維材料

　　 原標(biāo)題：開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)方法揭開了二維材料中自旋結(jié)構(gòu)的秘密