Con un nuovo metodo sperimentale, i ricercatori sondano per la prima volta la struttura dello spin nei materiali 2D

Con un nuovo metodo sperimentale, i ricercatori sondano per la prima volta la struttura dello spin nei materiali 2D

Timestamp: 11 maggio 2023 11:25
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11 maggio 2023 (Notizie Nanowerk) Per due decenni, i fisici hanno cercato di manipolare direttamente lo spin degli elettroni in materiali 2D come grafene. Ciò potrebbe innescare progressi chiave nel fiorente mondo dell'elettronica 2D, un campo in cui dispositivi elettronici super veloci, piccoli e flessibili eseguono calcoli basati sulla meccanica quantistica. L'ostacolo è che il modo tipico in cui gli scienziati misurano lo spin degli elettroni - un comportamento essenziale che conferisce a ogni cosa nell'universo fisico la sua struttura - di solito non funziona Materiali 2D. Ciò rende incredibilmente difficile comprendere appieno i materiali e promuovere progressi tecnologici basati su di essi. Ma un team di scienziati guidato dai 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 in Fisica della natura (“I revival di Dirac guidano una risposta di risonanza nel grafene a doppio strato contorto”). interazione diretta tra elettroni che ruotano in un materiale 2D e fotoni provenienti dalla radiazione a microonde Nello studio, i ricercatori descrivono quella che ritengono essere la prima misurazione che mostra l'interazione diretta tra gli elettroni che ruotano in un materiale 2D e i fotoni provenienti dalla radiazione a microonde. (Immagine: Jia Li, Brown University) 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 ritengono essere la prima misurazione che mostra l'interazione diretta tra elettroni che ruotano in un materiale 2D e fotoni provenienti dalla radiazione a microonde. Chiamato accoppiamento, l'assorbimento di fotoni a microonde da parte di elettroni stabilisce una nuova tecnica sperimentale per studiare direttamente le proprietà di come gli elettroni ruotano in questi materiali quantistici 2D, una tecnica che potrebbe servire come base per lo sviluppo di tecnologie computazionali e di comunicazione basate su quei materiali, secondo ai ricercatori. "La struttura di spin è la parte più importante di un fenomeno quantistico, ma non abbiamo mai avuto una vera e propria sonda diretta per questo in questi materiali 2D", ha detto Jia Li, assistente professore di fisica alla Brown e autore senior della ricerca. “Questa sfida ci ha impedito di studiare teoricamente lo spin in questo affascinante materiale negli ultimi due decenni. Ora possiamo usare 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 contorto "angolo magico". Questo materiale a base di grafene viene creato quando due fogli di strati ultrasottili di carbonio vengono impilati e attorcigliati 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 che questa radiazione provoca per misurare lo spin. La sfida con i materiali 2D è che la firma magnetica degli elettroni in risposta all'eccitazione a 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, che sono stati causati dai cambiamenti nella magnetizzazione dalla radiazione utilizzando un dispositivo fabbricato presso l'Institute for Molecular and Nanoscale Innovation di 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 anti-ferromagnetico, il che significa che il magnetismo di alcuni atomi è stato annullato da un insieme di atomi magnetici che sono allineato in senso inverso. Il nuovo metodo per studiare lo spin nei materiali 2D e le attuali scoperte non saranno applicabili alla tecnologia di oggi, ma il team 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 altro materiale 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 da remoto nel 2021 presso il Center for Integrated Nanotechnologies nel New Mexico. Mattia S.

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