Nanotechnology Now - Comunicato stampa: Con un nuovo metodo sperimentale, i ricercatori sondano per la prima volta la struttura di spin nei materiali 2D: osservando la struttura di spin nel grafene ad "angolo magico", un team di scienziati guidati da ricercatori della Brown University ha trovato una soluzione alternativa per un lungo periodo -Posto di blocco nel campo dei due

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Osservando la struttura di spin nel grafene “ad angolo magico”, un team di scienziati guidati da ricercatori della Brown University ha trovato una soluzione alternativa per un ostacolo di lunga data nel campo dell’elettronica bidimensionale. CREDITO Università Jia Li/Brown

Abstract:
Per due decenni, i fisici hanno cercato di manipolare direttamente lo spin degli elettroni in materiali 2D come il grafene. Ciò potrebbe innescare progressi chiave nel fiorente mondo dell’elettronica 2D, un campo in cui dispositivi elettronici superveloci, piccoli e flessibili eseguono calcoli basati sulla meccanica quantistica.

Con un nuovo metodo sperimentale, i ricercatori sondano per la prima volta la struttura dello spin nei materiali 2D: osservando la struttura dello spin nel grafene "ad angolo magico", un team di scienziati guidato dai ricercatori della Brown University ha trovato una soluzione per un blocco stradale di lunga data nel campo di due

Provvidenza, RI | Pubblicato il 12 maggio 2023

L’ostacolo è che il modo tipico in cui gli scienziati misurano lo spin degli elettroni – un comportamento essenziale che dà la sua struttura a ogni cosa nell’universo fisico – di solito non funziona nei materiali 2D. Ciò rende incredibilmente difficile comprendere appieno i materiali e portare avanti i progressi tecnologici basati su di essi. Ma un team di scienziati guidati da ricercatori della Brown University ritiene di avere ora un modo per aggirare questa sfida di lunga data. Descrivono la loro soluzione in un nuovo studio pubblicato su Nature Physics.

Nello studio, il team – che comprende anche scienziati del Center for Integrated Nanotechnologies dei Sandia National Laboratories e dell’Università di Innsbruck – descrive quella che credono essere la prima misurazione che mostra l’interazione diretta tra gli elettroni che ruotano in un materiale 2D e i fotoni che arrivano dalle radiazioni a microonde. Chiamato accoppiamento, l’assorbimento dei fotoni a microonde da parte degli elettroni stabilisce una nuova tecnica sperimentale per studiare direttamente le proprietà di come gli elettroni ruotano in questi materiali quantistici 2D – una che potrebbe servire come base per lo sviluppo di tecnologie computazionali e di comunicazione basate su tali materiali, secondo ai ricercatori.

"La struttura di spin è la parte più importante di un fenomeno quantistico, ma non abbiamo mai avuto uno studio diretto su di essa in questi materiali 2D", ha affermato Jia Li, assistente professore di fisica alla Brown e autore senior della ricerca. “Questa sfida ci ha impedito di studiare teoricamente lo spin in questi affascinanti materiali negli ultimi due decenni. Ora possiamo utilizzare questo metodo per studiare molti sistemi diversi che prima non potevamo studiare”.

I ricercatori hanno effettuato le misurazioni su un materiale 2D relativamente nuovo chiamato grafene a doppio strato ritorto ad “angolo magico”. Questo materiale a base di grafene viene creato quando due fogli di strati ultrasottili di carbonio vengono impilati e attorcigliati esattamente all'angolo giusto, convertendo la nuova struttura a doppio strato in un superconduttore che consente all'elettricità di fluire senza resistenza o spreco di energia. Appena scoperto nel 2018, i ricercatori si sono concentrati sul materiale a causa del potenziale e del mistero che lo circonda.

"Molte delle principali domande che sono state poste nel 2018 devono ancora trovare risposta", ha affermato Erin Morissette, una studentessa laureata nel laboratorio di Li alla Brown che ha guidato il lavoro.

I fisici di solito usano la risonanza magnetica nucleare o NMR per misurare lo spin degli elettroni. Lo fanno eccitando le proprietà magnetiche nucleari in un materiale campione utilizzando la radiazione a microonde e quindi leggendo le diverse firme causate da questa radiazione per misurare lo spin.

La sfida con i materiali 2D è che la firma magnetica degli elettroni in risposta all’eccitazione delle microonde è troppo piccola per essere rilevata. Il gruppo di ricerca ha deciso di improvvisare. Invece di rilevare direttamente la magnetizzazione degli elettroni, hanno misurato sottili cambiamenti nella resistenza elettronica, causati dai cambiamenti nella magnetizzazione della radiazione, utilizzando un dispositivo fabbricato presso l’Institute for Molecular and Nanoscale Innovation della Brown. Queste piccole variazioni nel flusso delle correnti elettroniche hanno permesso ai ricercatori di utilizzare il dispositivo per rilevare che gli elettroni stavano assorbendo le foto dalla radiazione a microonde.

I ricercatori sono stati in grado di osservare nuove informazioni dagli esperimenti. Il team ha notato, ad esempio, che le interazioni tra i fotoni e gli elettroni fanno sì che gli elettroni in alcune sezioni del sistema si comportino come farebbero in un sistema antiferromagnetico, il che significa che il magnetismo di alcuni atomi viene annullato da un insieme di atomi magnetici che sono allineati in senso inverso.

Il nuovo metodo per studiare lo spin nei materiali 2D e le scoperte attuali non saranno applicabili alla tecnologia oggi, ma il gruppo di ricerca vede potenziali applicazioni a cui il metodo potrebbe portare in futuro. Hanno in programma di continuare ad applicare il loro metodo al grafene a doppio strato ritorto, ma anche di espanderlo ad altri materiali 2D.

"Si tratta di un insieme di strumenti davvero diversificato che possiamo utilizzare per accedere a una parte importante dell'ordine elettronico in questi sistemi fortemente correlati e in generale per comprendere come gli elettroni possono comportarsi nei materiali 2D", ha affermato Morissette.

L'esperimento è stato condotto in remoto nel 2021 presso il Center for Integrated Nanotechnologies nel New Mexico. Mathias S. Scheurer dell'Università di Innsbruck ha fornito supporto teorico per la modellazione e la comprensione del risultato. Il lavoro ha incluso finanziamenti da parte della National Science Foundation, del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

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Contatti:
Juan Siliezar
Brown University
Ufficio: 401-863-3766

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