Con un nuevo método experimental, los investigadores prueban la estructura de espín en materiales 2D por primera vez

Con un nuevo método experimental, los investigadores prueban la estructura de espín en materiales 2D por primera vez

Marca de tiempo: 11 de mayo de 2023 11:25 a.m.
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11 de mayo de 2023 (Noticias de Nanowerk) Durante dos décadas, los físicos han tratado de manipular directamente el espín de los electrones en materiales 2D como grafeno. Si lo hace, podría generar avances clave en el floreciente mundo de la electrónica 2D, un campo en el que los dispositivos electrónicos súper rápidos, pequeños y flexibles realizan cálculos basados ​​en la mecánica cuántica. Lo que se interpone en el camino es que la forma típica en que los científicos miden el espín de los electrones, un comportamiento esencial que le da su estructura a todo el universo físico, por lo general no funciona en Materiales 2D. Esto hace que sea increíblemente difícil comprender completamente los materiales e impulsar los avances tecnológicos basados ​​en ellos. Pero un equipo de científicos dirigido por investigadores de la Universidad de Brown cree que ahora tienen una forma de evitar este desafío de larga data. Describen su solución en un nuevo estudio publicado en Física de la naturaleza ("Los avivamientos de Dirac impulsan una respuesta de resonancia en el grafeno bicapa retorcido"). interacción directa entre los electrones que giran en un material 2D y los fotones provenientes de la radiación de microondas En el estudio, los investigadores describen lo que creen que es la primera medición que muestra la interacción directa entre los electrones que giran en un material 2D y los fotones provenientes de la radiación de microondas. (Imagen: Jia Li, Universidad de Brown) En el estudio, el equipo, que también incluye científicos del Centro de Nanotecnologías Integradas de los Laboratorios Nacionales Sandia y la Universidad de Innsbruck, describe lo que creen que es la primera medición que muestra una interacción directa entre electrones girando en un material 2D y fotones provenientes de la radiación de microondas. Llamado acoplamiento, la absorción de fotones de microondas por electrones establece una nueva técnica experimental para estudiar directamente las propiedades de cómo giran los electrones en estos materiales cuánticos 2D, una que podría servir como base para desarrollar tecnologías computacionales y de comunicación basadas en esos materiales, según a los investigadores. "La estructura de espín es la parte más importante de un fenómeno cuántico, pero en realidad nunca hemos tenido una prueba directa para ello en estos materiales 2D", dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown y autor principal de la investigación. “Ese desafío nos ha impedido estudiar teóricamente el giro en este fascinante material durante las últimas dos décadas. Ahora podemos usar este método para estudiar muchos sistemas diferentes que antes no podíamos estudiar”. Los investigadores realizaron las mediciones en un material 2D relativamente nuevo llamado grafeno bicapa retorcido de "ángulo mágico". Este material a base de grafeno se crea cuando dos láminas de capas ultrafinas de carbono se apilan y giran en el ángulo correcto, convirtiendo la nueva estructura de doble capa en un superconductor que permite que la electricidad fluya sin resistencia ni desperdicio de energía. Recién descubierto en 2018, los investigadores se centraron en el material debido al potencial y el misterio que lo rodea. "Muchas de las principales preguntas que se plantearon en 2018 aún no se han respondido", dijo Erin Morissette, estudiante de posgrado en el laboratorio de Li en Brown que dirigió el trabajo. Los físicos suelen utilizar resonancia magnética nuclear o RMN para medir el giro de los electrones. Lo hacen excitando las propiedades magnéticas nucleares en un material de muestra usando radiación de microondas y luego leyendo las diferentes firmas que esta radiación provoca para medir el giro. El desafío con los materiales 2D es que la firma magnética de los electrones en respuesta a la excitación de microondas es demasiado pequeña para ser detectada. El equipo de investigación decidió improvisar. En lugar de detectar directamente la magnetización de los electrones, midieron cambios sutiles en la resistencia electrónica, que fueron causados ​​por los cambios en la magnetización de la radiación usando un dispositivo fabricado en el Instituto de Innovación Molecular y a Nanoescala en Brown. Estas pequeñas variaciones en el flujo de las corrientes electrónicas permitieron a los investigadores usar el dispositivo para detectar que los electrones estaban absorbiendo las fotos de la radiación de microondas. Los investigadores pudieron observar información novedosa de los experimentos. El equipo notó, por ejemplo, que las interacciones entre los fotones y los electrones hicieron que los electrones en ciertas secciones del sistema se comportaran como lo harían en un sistema antiferromagnético, lo que significa que el magnetismo de algunos átomos fue cancelado por un conjunto de átomos magnéticos que son alineados en sentido inverso. El nuevo método para estudiar el giro en materiales 2D y los hallazgos actuales no serán aplicables a la tecnología actual, pero el equipo de investigación ve aplicaciones potenciales a las que el método podría conducir en el futuro. Planean continuar aplicando su método al grafeno bicapa retorcido, pero también expandirlo a otros materiales 2D. “Es un conjunto de herramientas realmente diverso que podemos usar para acceder a una parte importante del orden electrónico en estos sistemas fuertemente correlacionados y, en general, para comprender cómo se pueden comportar los electrones en los materiales 2D”, dijo Morissette. El experimento se llevó a cabo de forma remota en 2021 en el Centro de Nanotecnologías Integradas en Nuevo México. Matías S.

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