עם שיטה ניסיונית חדשה, חוקרים חוקרים את מבנה הספין בחומרים דו-ממדיים בפעם הראשונה

11 במאי 2023 (חדשות Nanowerk) במשך שני עשורים, פיזיקאים ניסו לתמרן ישירות את הספין של אלקטרונים בחומרים דו-ממדיים כמו גרפן. פעולה זו עלולה לעורר התקדמות מפתח בעולם המתפתח של אלקטרוניקה דו-ממדית, תחום שבו מכשירים אלקטרוניים קטנים וגמישים מהירים במיוחד מבצעים חישובים המבוססים על מכניקת קוונטים. המפריע הוא שהדרך האופיינית שבה מדענים מודדים את הספין של אלקטרונים - התנהגות חיונית שנותנת לכל דבר ביקום הפיזי את המבנה שלו - בדרך כלל לא עובדת. חומרים דו מימדיים. זה מקשה מאוד על הבנה מלאה של החומרים ולהניע התקדמות טכנולוגית המבוססת עליהם. אבל צוות של מדענים בראשות חוקרי אוניברסיטת בראון מאמינים שיש להם כעת דרך לעקוף את האתגר ארוכות השנים הזה. הם מתארים את הפתרון שלהם במחקר חדש שפורסם ב פיזיקת טבע ("החייאות דיראק מניעות תגובת תהודה בגרפן דו-שכבתי מעוות"). במחקר, החוקרים מתארים את מה שלדעתם הוא המדידה הראשונה שמראה אינטראקציה ישירה בין אלקטרונים מסתובבים בחומר דו-ממדי לבין פוטונים המגיעים מקרינת מיקרוגל. (תמונה: ג'יה לי, אוניברסיטת בראון) במחקר, הצוות - הכולל גם מדענים מהמרכז לננו-טכנולוגיות משולבות במעבדות הלאומיות של Sandia, ואוניברסיטת אינסברוק - מתאר את מה שלדעתם הוא המדידה הראשונה שמראה אינטראקציה ישירה בין אלקטרונים מסתובבים בחומר דו מימדי ופוטונים המגיעים מקרינת מיקרוגל. המכונה צימוד, קליטת פוטוני מיקרוגל על ​​ידי אלקטרונים מבססת טכניקת ניסוי חדשנית לחקר ישיר את המאפיינים של האופן שבו אלקטרונים מסתובבים בחומרים קוונטיים דו-ממדיים אלה - כזו שיכולה לשמש בסיס לפיתוח טכנולוגיות חישוביות ותקשורתיות המבוססות על חומרים אלו, לפי לחוקרים. "מבנה הספין הוא החלק החשוב ביותר של תופעה קוונטית, אבל מעולם לא היה לנו באמת בדיקה ישירה עבורו בחומרים הדו-ממדיים האלה," אמרה ג'יה לי, עוזרת פרופסור לפיזיקה בבראון ומחברת הבכירה של המחקר. "האתגר הזה מנע מאיתנו תיאורטית ללמוד ספין בחומר המרתק הזה בשני העשורים האחרונים. עכשיו אנחנו יכולים להשתמש בשיטה הזו כדי ללמוד הרבה מערכות שונות שלא יכולנו ללמוד קודם לכן". החוקרים ביצעו את המדידות על חומר דו-ממדי חדש יחסית בשם גרפן דו-שכבתי מעוות "זווית קסומה". החומר המבוסס על גרפן נוצר כאשר שתי יריעות של שכבות פחמן דקות במיוחד מוערמות ומפותלות בדיוק לזווית הנכונה, מה שממיר את המבנה הדו-שכבתי החדש למוליך-על המאפשר לחשמל לזרום ללא התנגדות או בזבוז אנרגיה. זה עתה התגלה בשנת 2018, החוקרים התמקדו בחומר בגלל הפוטנציאל והמסתורין סביבו. "הרבה מהשאלות העיקריות שהוצגו ב-2018 עדיין לא זכו לתשובה", אמרה ארין מוריסט, סטודנטית לתואר שני במעבדה של לי בבראון שהובילה את העבודה. פיזיקאים משתמשים בדרך כלל בתהודה מגנטית גרעינית או NMR כדי למדוד את הספין של אלקטרונים. הם עושים זאת על ידי ריגוש התכונות המגנטיות הגרעיניות בחומר לדוגמה באמצעות קרינת מיקרוגל ולאחר מכן קריאת החתימות השונות שקרינה זו גורמת למדידת ספין. האתגר עם חומרים דו-ממדיים הוא שהחתימה המגנטית של אלקטרונים בתגובה לעירור המיקרוגל קטנה מכדי לזהות. צוות המחקר החליט לאלתר. במקום לזהות ישירות את המגנטיזציה של האלקטרונים, הם מדדו שינויים עדינים בהתנגדות האלקטרונית, שנגרמו מהשינויים במגנטיזציה מהקרינה באמצעות מכשיר שיוצר במכון לחדשנות מולקולרית וננומטרית בבראון. שינויים קטנים אלה בזרימת הזרמים האלקטרוניים אפשרו לחוקרים להשתמש במכשיר כדי לזהות שהאלקטרונים סופגים את התמונות מקרינת המיקרוגל. החוקרים הצליחו לצפות במידע חדש מהניסויים. הצוות שם לב, למשל, שאינטראקציות בין הפוטונים והאלקטרונים גרמו לאלקטרונים בחלקים מסוימים של המערכת להתנהג כפי שהם מתנהגים במערכת אנטי-פרומגנטית - כלומר המגנטיות של כמה אטומים בוטלה על ידי קבוצה של אטומים מגנטיים שהם מיושר בכיוון הפוך. השיטה החדשה לחקר ספין בחומרים דו-ממדיים והממצאים הנוכחיים לא יהיו ישימים לטכנולוגיה כיום, אך צוות המחקר רואה יישומים פוטנציאליים שהשיטה יכולה להוביל אליהם בעתיד. הם מתכננים להמשיך ליישם את השיטה שלהם על גרפן דו-שכבתי מעוות אך גם להרחיב אותה לחומרים דו-ממדיים אחרים. "זהו ערכת כלים מאוד מגוונת שאנו יכולים להשתמש בה כדי לגשת לחלק חשוב מהסדר האלקטרוני במערכות המתואמות הללו ובאופן כללי כדי להבין כיצד אלקטרונים יכולים להתנהג בחומרים דו-ממדיים," אמרה מוריסט. הניסוי בוצע מרחוק בשנת 2021 במרכז לננוטכנולוגיות משולבות בניו מקסיקו. מתיאס ס.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• הטבעת העתיד עם אדריאן אשלי. גישה כאן.
• קנה ומכירה של מניות בחברות PRE-IPO עם PREIPO®. גישה כאן.
• מקור: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php