Nanotechnology Now - プレスリリース: 新しい実験方法で、研究者が 2D 材料のスピン構造を初めて調査: 「魔法の角度」グラフェンのスピン構造を観察することで、ブラウン大学の研究者が率いる科学者チームは長い間回避策を見つけました-2.1 つのフィールドに立つ障害物

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ブラウン大学の研究者が率いる科学者チームは、「マジックアングル」グラフェンのスピン構造を観察することで、二次元エレクトロニクス分野における長年の障害の回避策を発見した。クレジット Jia Li/ブラウン大学

要約：
2 年にわたり、物理学者はグラフェンのような 2D 材料内の電子のスピンを直接操作しようと試みてきました。そうすることで、超高速、小型、柔軟な電子デバイスが量子力学に基づいた計算を実行する分野である XNUMXD エレクトロニクスの急成長する世界に重要な進歩をもたらす可能性があります。

新しい実験方法により、研究者は初めて2D材料のスピン構造を調査します。ブラウン大学の研究者が率いる科学者チームは、「マジックアングル」グラフェンのスピン構造を観察することにより、この分野における長年の障害の回避策を発見しました。 XNUMXつの

ロードアイランド州プロビデンス | 投稿日: 12 年 2023 月 XNUMX 日

障害となっているのは、科学者が電子のスピンを測定する典型的な方法 (物理宇宙のあらゆるものに構造を与える重要な動作) が、通常 2D マテリアルでは機能しないことです。このため、材料を完全に理解し、それに基づいて技術の進歩を推進することが非常に困難になっています。しかし、ブラウン大学の研究者が率いる科学者チームは、この長年の課題を回避する方法ができたと信じています。彼らは、Nature Physics に掲載された新しい研究でその解決策について説明しています。

この研究では、サンディア国立研究所の統合ナノテクノロジーセンターとインスブルック大学の科学者も含まれるチームが、2D材料内で回転する電子と到来する光子の間の直接相互作用を示す最初の測定であると考えられることについて説明している。マイクロ波放射によるもの。カップリングと呼ばれる、電子によるマイクロ波光子の吸収は、これらの2D量子材料内で電子がどのように回転するかの特性を直接研究するための新しい実験手法を確立する。これは、これらの材料に基づく計算技術や通信技術を開発するための基盤として機能する可能性があるという。研究者たちへ。

「スピン構造は量子現象の最も重要な部分ですが、これらの 2D 材料でスピン構造を直接調べることはできませんでした」とブラウン大学物理学の助教授であり、研究の主任著者である Jia Li 氏は述べています。「この課題により、私たちは過去 XNUMX 年間、これらの魅力的な材料のスピンを理論的に研究することができませんでした。この方法を使用して、以前は研究できなかったさまざまなシステムを研究できるようになりました。」

研究者らは、「マジックアングル」ねじれ二層グラフェンと呼ばれる比較的新しい 2D 材料で測定を行いました。このグラフェンベースの材料は、2018 枚の極薄カーボン層を積み重ねて適切な角度にねじることによって作成され、新しい二重層構造が超伝導体に変換され、抵抗やエネルギーの無駄なく電気を流すことができます。 XNUMX 年に発見されたばかりで、研究者らはその潜在力とそれを取り巻く謎に注目してこの物質に注目しました。

「2018年に提起された主要な疑問の多くはまだ答えられていない」とブラウン大学のリー研究室の大学院生で研究を主導したエリン・モリセットは語る。

物理学者は通常、核磁気共鳴または NMR を使用して電子のスピンを測定します。彼らは、マイクロ波放射を使用してサンプル材料の核磁気特性を励起し、この放射がスピンを測定するために引き起こすさまざまな兆候を読み取ることによってこれを行います。

2D 材料の課題は、マイクロ波励起に応答した電子の磁気的特徴が小さすぎて検出できないことです。研究チームは即興で演奏することにしました。電子の磁化を直接検出する代わりに、ブラウンの分子・ナノスケールイノベーション研究所で製造された装置を使用して、放射線による磁化の変化によって引き起こされる電子抵抗の微妙な変化を測定した。電子電流の流れのこれらの小さな変化により、研究者らはこの装置を使用して、電子がマイクロ波放射からの写真を吸収していることを検出することができました。

研究者らは実験から新たな情報を観察することができた。たとえば、研究チームは、光子と電子の間の相互作用により、系の特定のセクションの電子が反強磁性体と同じように振る舞うことに気づきました。これは、一部の原子の磁性が、磁性原子のセットによって打ち消されることを意味します。逆方向に揃えます。

2D 材料のスピンを研究するための新しい方法と現在の発見は、今日の技術には適用できませんが、研究チームは、この方法が将来的に応用できる可能性があると考えています。彼らは、引き続きその方法をねじれ二層グラフェンに適用するだけでなく、それを他の 2D 材料にも拡張する予定です。

「これは、これらの強相関システムにおける電子秩序の重要な部分にアクセスし、一般に電子が 2D 材料内でどのように動作するかを理解するために使用できる、非常に多様なツールセットです」とモリセット氏は述べました。

この実験は2021年にニューメキシコ州の統合ナノテクノロジーセンターで遠隔的に実施された。インスブルック大学の Mathias S. Scheurer は、モデリングと結果の理解について理論的なサポートを提供しました。この研究には、国立科学財団、米国国防総省、米国エネルギー省科学局からの資金提供が含まれていました。

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