Με νέα πειραματική μέθοδο, οι ερευνητές διερευνούν τη δομή του spin σε δισδιάστατα υλικά για πρώτη φορά

11 Μαΐου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Για δύο δεκαετίες, οι φυσικοί προσπάθησαν να χειριστούν άμεσα το σπιν των ηλεκτρονίων σε δισδιάστατα υλικά όπως graφένιο. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να πυροδοτήσει σημαντικές προόδους στον αναπτυσσόμενο κόσμο των ηλεκτρονικών 2D, έναν τομέα όπου οι εξαιρετικά γρήγορες, μικρές και ευέλικτες ηλεκτρονικές συσκευές πραγματοποιούν υπολογισμούς με βάση την κβαντική μηχανική. Εμπόδιο είναι ότι ο τυπικός τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες μετρούν το σπιν των ηλεκτρονίων -μια ουσιαστική συμπεριφορά που δίνει τη δομή του σε οτιδήποτε στο φυσικό σύμπαν- συνήθως δεν λειτουργεί σε 2D υλικά. Αυτό καθιστά απίστευτα δύσκολη την πλήρη κατανόηση των υλικών και την προώθηση της τεχνολογικής προόδου που βασίζεται σε αυτά. Αλλά μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τους ερευνητές του Πανεπιστημίου Μπράουν πιστεύουν ότι έχουν τώρα έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτή τη μακροχρόνια πρόκληση. Περιγράφουν τη λύση τους σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Φυσική της Φύσης («Οι αναβιώσεις του Dirac οδηγούν μια απόκριση συντονισμού στο συνεστραμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο»). Στη μελέτη, οι ερευνητές περιγράφουν αυτή που πιστεύουν ότι είναι η πρώτη μέτρηση που δείχνει άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται σε ένα υλικό 2D και των φωτονίων που προέρχονται από την ακτινοβολία μικροκυμάτων. (Εικόνα: Jia Li, Πανεπιστήμιο Brown) Στη μελέτη, η ομάδα - η οποία περιλαμβάνει επίσης επιστήμονες από το Κέντρο Ολοκληρωμένων Νανοτεχνολογιών στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia και το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ - περιγράφει αυτή που πιστεύουν ότι είναι η πρώτη μέτρηση που δείχνει άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρόνια που περιστρέφονται σε ένα υλικό 2D και φωτόνια που προέρχονται από την ακτινοβολία μικροκυμάτων. Ονομάζεται σύζευξη, η απορρόφηση φωτονίων μικροκυμάτων από ηλεκτρόνια καθιερώνει μια νέα πειραματική τεχνική για την άμεση μελέτη των ιδιοτήτων του τρόπου με τον οποίο περιστρέφονται τα ηλεκτρόνια σε αυτά τα δισδιάστατα κβαντικά υλικά - μια που θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως βάση για την ανάπτυξη υπολογιστικών και επικοινωνιακών τεχνολογιών που βασίζονται σε αυτά τα υλικά. στους ερευνητές. «Η δομή του σπιν είναι το πιο σημαντικό μέρος ενός κβαντικού φαινομένου, αλλά ποτέ δεν είχαμε άμεσο ανιχνευτή για αυτό σε αυτά τα δισδιάστατα υλικά», δήλωσε η Jia Li, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο Brown και ανώτερος συγγραφέας της έρευνας. «Αυτή η πρόκληση μας εμπόδισε να μελετήσουμε θεωρητικά το spin σε αυτό το συναρπαστικό υλικό τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη μέθοδο για να μελετήσουμε πολλά διαφορετικά συστήματα που δεν μπορούσαμε να μελετήσουμε πριν». Οι ερευνητές έκαναν τις μετρήσεις σε ένα σχετικά νέο δισδιάστατο υλικό που ονομάζεται στριμμένο διπλοστρωματικό γραφένιο «μαγικής γωνίας». Αυτό το υλικό με βάση το γραφένιο δημιουργείται όταν δύο φύλλα εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων άνθρακα στοιβάζονται και συστρέφονται στη σωστή γωνία, μετατρέποντας τη νέα δομή διπλού στρώματος σε υπεραγωγό που επιτρέπει στον ηλεκτρισμό να ρέει χωρίς αντίσταση ή σπατάλη ενέργειας. Μόλις ανακαλύφθηκε το 2018, οι ερευνητές εστίασαν στο υλικό λόγω των δυνατοτήτων και του μυστηρίου που το περιβάλλουν. «Πολλά από τα μεγάλα ερωτήματα που τέθηκαν το 2018 δεν έχουν ακόμη απαντηθεί», είπε η Έριν Μορισέτ, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριο του Λι στο Μπράουν που ηγήθηκε της εργασίας. Οι φυσικοί συνήθως χρησιμοποιούν πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό ή NMR για να μετρήσουν το σπιν των ηλεκτρονίων. Το κάνουν αυτό διεγείροντας τις πυρηνικές μαγνητικές ιδιότητες σε ένα δείγμα υλικού χρησιμοποιώντας ακτινοβολία μικροκυμάτων και στη συνέχεια διαβάζοντας τις διαφορετικές υπογραφές που προκαλεί αυτή η ακτινοβολία για τη μέτρηση του σπιν. Η πρόκληση με τα δισδιάστατα υλικά είναι ότι η μαγνητική υπογραφή των ηλεκτρονίων ως απόκριση στη διέγερση των μικροκυμάτων είναι πολύ μικρή για να ανιχνευθεί. Η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να αυτοσχεδιάσει. Αντί να ανιχνεύσουν άμεσα τη μαγνήτιση των ηλεκτρονίων, μέτρησαν ανεπαίσθητες αλλαγές στην ηλεκτρονική αντίσταση, οι οποίες προκλήθηκαν από τις αλλαγές στη μαγνήτιση από την ακτινοβολία χρησιμοποιώντας μια συσκευή που κατασκευάστηκε στο Ινστιτούτο Μοριακής και Νανοκλίμακας Καινοτομίας στο Μπράουν. Αυτές οι μικρές διακυμάνσεις στη ροή των ηλεκτρονικών ρευμάτων επέτρεψαν στους ερευνητές να χρησιμοποιήσουν τη συσκευή για να ανιχνεύσουν ότι τα ηλεκτρόνια απορροφούσαν τις φωτογραφίες από την ακτινοβολία μικροκυμάτων. Οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν νέες πληροφορίες από τα πειράματα. Η ομάδα παρατήρησε, για παράδειγμα, ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φωτονίων και των ηλεκτρονίων που έκαναν τα ηλεκτρόνια σε ορισμένα τμήματα του συστήματος συμπεριφέρονται όπως θα συμπεριφέρονταν σε ένα αντισιδηρομαγνητικό σύστημα - που σημαίνει ότι ο μαγνητισμός ορισμένων ατόμων ακυρώθηκε από ένα σύνολο μαγνητικών ατόμων που είναι ευθυγραμμισμένο σε αντίστροφη κατεύθυνση. Η νέα μέθοδος για τη μελέτη του spin σε δισδιάστατα υλικά και τα τρέχοντα ευρήματα δεν θα είναι εφαρμόσιμα στην τεχνολογία σήμερα, αλλά η ερευνητική ομάδα βλέπει πιθανές εφαρμογές στις οποίες θα μπορούσε να οδηγήσει η μέθοδος στο μέλλον. Σκοπεύουν να συνεχίσουν να εφαρμόζουν τη μέθοδό τους στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας αλλά και να την επεκτείνουν σε άλλο υλικό 2D. «Είναι ένα πραγματικά ποικίλο σύνολο εργαλείων που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να αποκτήσουμε πρόσβαση σε ένα σημαντικό μέρος της ηλεκτρονικής τάξης σε αυτά τα ισχυρά συσχετισμένα συστήματα και γενικά για να κατανοήσουμε πώς μπορούν να συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια σε δισδιάστατα υλικά», είπε η Morissette. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε εξ αποστάσεως το 2021 στο Κέντρο Ολοκληρωμένων Νανοτεχνολογιών στο Νέο Μεξικό. Ματίας Σ.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php