Med ny eksperimentel metode undersøger forskere spinstruktur i 2D-materialer for første gang

11. maj 2023 (Nanowerk nyheder) I to årtier har fysikere forsøgt direkte at manipulere elektronernes spin i 2D-materialer som f.eks. graphene. Hvis du gør det, kan det udløse vigtige fremskridt i den spirende verden af ​​2D-elektronik, et felt, hvor superhurtige, små og fleksible elektroniske enheder udfører beregninger baseret på kvantemekanik. Står i vejen er, at den typiske måde, hvorpå videnskabsmænd måler elektronernes spin - en væsentlig adfærd, der giver alt i det fysiske univers dets struktur - normalt ikke virker i 2D-materialer. Dette gør det utroligt svært fuldt ud at forstå materialerne og fremskynde teknologiske fremskridt baseret på dem. Men et team af forskere ledet af Brown University-forskere mener, at de nu har en vej uden om denne langvarige udfordring. De beskriver deres løsning i en ny undersøgelse offentliggjort i Naturfysik ("Dirac-genoplivelser driver en resonansrespons i snoet tolagsgrafen"). I undersøgelsen beskriver forskere, hvad de mener er den første måling, der viser direkte interaktion mellem elektroner, der spinder i et 2D-materiale, og fotoner, der kommer fra mikrobølgestråling. (Billede: Jia Li, Brown University) I undersøgelsen beskriver holdet - som også omfatter forskere fra Center for Integrated Nanotechnologies ved Sandia National Laboratories og University of Innsbruck - hvad de mener er den første måling, der viser direkte interaktion mellem elektroner, der spinder i et 2D-materiale og fotoner, der kommer fra mikrobølgestråling. Kaldet en kobling etablerer absorptionen af ​​mikrobølgefotoner af elektroner en ny eksperimentel teknik til direkte at studere egenskaberne for, hvordan elektroner spinder i disse 2D kvantematerialer - en, der kunne tjene som grundlag for udvikling af beregnings- og kommunikationsteknologier baseret på disse materialer, ifølge til forskerne. "Spin-struktur er den vigtigste del af et kvantefænomen, men vi har aldrig rigtig haft en direkte sonde for det i disse 2D-materialer," sagde Jia Li, assisterende professor i fysik ved Brown og seniorforfatter af forskningen. "Den udfordring har forhindret os i teoretisk at studere spin i dette fascinerende materiale i de sidste to årtier. Vi kan nu bruge denne metode til at studere en masse forskellige systemer, som vi ikke kunne studere før." Forskerne lavede målingerne på et relativt nyt 2D-materiale kaldet "magic-angle" snoet dobbeltlagsgrafen. Dette grafen-baserede materiale skabes, når to plader af ultratynde lag af kulstof stables og snoes til den helt rigtige vinkel, og omdanner den nye dobbeltlagsstruktur til en superleder, der tillader elektricitet at flyde uden modstand eller energispild. Forskerne blev netop opdaget i 2018 og fokuserede på materialet på grund af potentialet og mysteriet omkring det. "Mange af de store spørgsmål, der blev stillet i 2018, er endnu ikke besvaret," sagde Erin Morissette, en kandidatstuderende i Lis laboratorium på Brown, der ledede arbejdet. Fysikere bruger normalt nuklear magnetisk resonans eller NMR til at måle elektronernes spin. De gør dette ved at excitere de nukleare magnetiske egenskaber i et prøvemateriale ved hjælp af mikrobølgestråling og derefter læse de forskellige signaturer, som denne stråling forårsager for at måle spin. Udfordringen med 2D-materialer er, at den magnetiske signatur af elektroner som reaktion på mikrobølge-excitationen er for lille til at detektere. Forskerholdet besluttede at improvisere. I stedet for direkte at detektere elektronernes magnetisering, målte de subtile ændringer i elektronisk modstand, som var forårsaget af ændringerne i magnetiseringen fra strålingen ved hjælp af en enhed fremstillet ved Institute for Molecular and Nanoscale Innovation i Brown. Disse små variationer i strømmen af ​​de elektroniske strømme gjorde det muligt for forskerne at bruge enheden til at opdage, at elektronerne absorberede billederne fra mikrobølgestrålingen. Forskerne var i stand til at observere ny information fra eksperimenterne. Holdet bemærkede for eksempel, at interaktioner mellem fotoner og elektroner fik elektroner i visse dele af systemet til at opføre sig, som de ville i et anti-ferromagnetisk system - hvilket betyder, at magnetismen af ​​nogle atomer blev annulleret af et sæt magnetiske atomer, der er justeret i modsat retning. Den nye metode til at studere spin i 2D-materialer og de nuværende resultater vil ikke være anvendelige til teknologi i dag, men forskerholdet ser potentielle anvendelser, metoden kan føre til i fremtiden. De planlægger at fortsætte med at anvende deres metode til snoet tolagsgrafen, men også udvide det til andet 2D-materiale. "Det er et virkelig forskelligt værktøjssæt, som vi kan bruge til at få adgang til en vigtig del af den elektroniske orden i disse stærkt korrelerede systemer og generelt til at forstå, hvordan elektroner kan opføre sig i 2D-materialer," sagde Morissette. Eksperimentet blev udført eksternt i 2021 på Center for Integrated Nanotechnologies i New Mexico. Mathias S.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php