Nanotechnology Now - Communiqué de presse : Avec une nouvelle méthode expérimentale, les chercheurs sondent pour la première fois la structure de spin dans les matériaux 2D : en observant la structure de spin dans le graphène "à angle magique", une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l'Université Brown a trouvé une solution de contournement pendant une longue période. -barrage routier debout dans le champ de deux

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En observant la structure de spin dans le graphène à « angle magique », une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Université Brown a trouvé une solution à un obstacle de longue date dans le domaine de l’électronique bidimensionnelle. CRÉDIT Jia Li/Université Brown

Résumé:
Depuis deux décennies, les physiciens tentent de manipuler directement le spin des électrons dans des matériaux 2D comme le graphène. Cela pourrait déclencher des avancées clés dans le monde en plein essor de l’électronique 2D, un domaine dans lequel des appareils électroniques ultra-rapides, petits et flexibles effectuent des calculs basés sur la mécanique quantique.

Avec une nouvelle méthode expérimentale, les chercheurs sondent pour la première fois la structure de spin dans les matériaux 2D : en observant la structure de spin dans le graphène "à angle magique", une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l'Université Brown a trouvé une solution de contournement pour un obstacle de longue date dans le domaine de deux

Providence, RI | Publié le 12 mai 2023

L’obstacle est que la manière typique dont les scientifiques mesurent le spin des électrons – un comportement essentiel qui donne sa structure à tout dans l’univers physique – ne fonctionne généralement pas dans les matériaux 2D. Cela rend extrêmement difficile la compréhension complète des matériaux et la promotion des avancées technologiques basées sur ceux-ci. Mais une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Université Brown pense avoir désormais un moyen de contourner ce défi de longue date. Ils décrivent leur solution dans une nouvelle étude publiée dans Nature Physics.

Dans l'étude, l'équipe – qui comprend également des scientifiques du Centre de nanotechnologies intégrées des Laboratoires nationaux Sandia et de l'Université d'Innsbruck – décrit ce qu'elle pense être la première mesure montrant une interaction directe entre les électrons tournant dans un matériau 2D et les photons arrivant. du rayonnement micro-ondes. Appelée couplage, l'absorption des photons micro-ondes par les électrons établit une nouvelle technique expérimentale pour étudier directement les propriétés de la façon dont les électrons tournent dans ces matériaux quantiques 2D – une technique qui pourrait servir de base au développement de technologies informatiques et de communication basées sur ces matériaux, selon aux chercheurs.

"La structure du spin est la partie la plus importante d'un phénomène quantique, mais nous n'avons jamais vraiment eu de sonde directe dans ces matériaux 2D", a déclaré Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de la recherche. « Ce défi nous a empêché d’étudier théoriquement le spin de ces matériaux fascinants au cours des deux dernières décennies. Nous pouvons désormais utiliser cette méthode pour étudier de nombreux systèmes différents que nous ne pouvions pas étudier auparavant.

Les chercheurs ont effectué les mesures sur un matériau 2D relativement nouveau appelé graphène bicouche torsadé à « angle magique ». Ce matériau à base de graphène est créé lorsque deux feuilles de couches ultrafines de carbone sont empilées et tordues exactement à l'angle droit, convertissant la nouvelle structure à double couche en un supraconducteur qui permet à l'électricité de circuler sans résistance ni gaspillage d'énergie. Récemment découvert en 2018, les chercheurs se sont concentrés sur ce matériau en raison du potentiel et du mystère qui l’entourent.

"Beaucoup de questions majeures qui ont été posées en 2018 n'ont toujours pas de réponse", a déclaré Erin Morissette, une étudiante diplômée du laboratoire de Li à Brown qui a dirigé les travaux.

Les physiciens utilisent généralement la résonance magnétique nucléaire ou RMN pour mesurer le spin des électrons. Pour ce faire, ils excitent les propriétés magnétiques nucléaires d'un échantillon de matériau à l'aide d'un rayonnement micro-ondes, puis lisent les différentes signatures provoquées par ce rayonnement pour mesurer le spin.

Le défi avec les matériaux 2D est que la signature magnétique des électrons en réponse à l’excitation micro-onde est trop petite pour être détectée. L'équipe de recherche a décidé d'improviser. Au lieu de détecter directement la magnétisation des électrons, ils ont mesuré des changements subtils dans la résistance électronique, provoqués par les changements de magnétisation dus au rayonnement, à l'aide d'un appareil fabriqué à l'Institut d'innovation moléculaire et nanométrique de Brown. Ces petites variations dans le flux des courants électroniques ont permis aux chercheurs d'utiliser l'appareil pour détecter que les électrons absorbaient les photos du rayonnement micro-ondes.

Les chercheurs ont pu observer de nouvelles informations issues des expériences. L'équipe a remarqué, par exemple, que les interactions entre les photons et les électrons faisaient que les électrons de certaines sections du système se comportaient comme ils le feraient dans un système antiferromagnétique, ce qui signifie que le magnétisme de certains atomes était annulé par un ensemble d'atomes magnétiques qui sont alignés dans le sens inverse.

La nouvelle méthode d’étude du spin dans les matériaux 2D et les résultats actuels ne seront pas applicables à la technologie aujourd’hui, mais l’équipe de recherche voit des applications potentielles auxquelles cette méthode pourrait conduire à l’avenir. Ils prévoient de continuer à appliquer leur méthode au graphène bicouche torsadé, mais également de l’étendre à d’autres matériaux 2D.

"Il s'agit d'un ensemble d'outils très diversifiés que nous pouvons utiliser pour accéder à une partie importante de l'ordre électronique dans ces systèmes fortement corrélés et, en général, pour comprendre comment les électrons peuvent se comporter dans les matériaux 2D", a déclaré Morissette.

L’expérience a été réalisée à distance en 2021 au Center for Integrated Nanotechnologies du Nouveau-Mexique. Mathias S. Scheurer de l'Université d'Innsbruck a fourni un soutien théorique pour la modélisation et la compréhension du résultat. Les travaux comprenaient un financement de la National Science Foundation, du département américain de la Défense et de l’Office of Science du département américain de l’Énergie.

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Université Brown
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