Med ny eksperimentell metode undersøker forskere spinnstruktur i 2D-materialer for første gang

11. mai 2023 (Nanowerk Nyheter) I to tiår har fysikere forsøkt å direkte manipulere spinn av elektroner i 2D-materialer som graphene. Å gjøre det kan føre til viktige fremskritt i den spirende verdenen av 2D-elektronikk, et felt der superraske, små og fleksible elektroniske enheter utfører beregninger basert på kvantemekanikk. Står i veien er at den typiske måten forskerne måler elektronenes spinn - en essensiell atferd som gir alt i det fysiske universet sin struktur - vanligvis ikke fungerer i 2D-materialer. Dette gjør det utrolig vanskelig å fullt ut forstå materialene og drive frem teknologiske fremskritt basert på dem. Men et team av forskere ledet av Brown University-forskere tror de nå har en vei rundt denne langvarige utfordringen. De beskriver løsningen deres i en ny studie publisert i Naturfysikk ("Dirac-vekkelser driver en resonansrespons i vridd tolagsgrafen"). I studien beskriver forskere det de mener er den første målingen som viser direkte interaksjon mellom elektroner som spinner i et 2D-materiale og fotoner som kommer fra mikrobølgestråling. (Bilde: Jia Li, Brown University) I studien beskriver teamet – som også inkluderer forskere fra Center for Integrated Nanotechnologies ved Sandia National Laboratories, og University of Innsbruck – det de mener er den første målingen som viser direkte interaksjon mellom elektroner som spinner i et 2D-materiale og fotoner som kommer fra mikrobølgestråling. Kalt en kobling, absorpsjon av mikrobølgefotoner av elektroner etablerer en ny eksperimentell teknikk for direkte å studere egenskapene til hvordan elektroner spinner i disse 2D-kvantematerialene - en som kan tjene som grunnlag for utvikling av beregnings- og kommunikasjonsteknologier basert på disse materialene, ifølge til forskerne. "Spinnstruktur er den viktigste delen av et kvantefenomen, men vi har aldri hatt en direkte sonde for det i disse 2D-materialene," sa Jia Li, assisterende professor i fysikk ved Brown og seniorforfatter av forskningen. "Denne utfordringen har hindret oss i å teoretisk studere spinn i dette fascinerende materialet de siste to tiårene. Vi kan nå bruke denne metoden til å studere mange forskjellige systemer som vi ikke kunne studere før." Forskerne gjorde målingene på et relativt nytt 2D-materiale kalt "magic-angle" vridd tolags grafen. Dette grafenbaserte materialet blir til når to ark med ultratynne lag av karbon stables og vrir seg til akkurat den rette vinkelen, og konverterer den nye dobbeltlagsstrukturen til en superleder som lar elektrisitet flyte uten motstand eller energisløsing. Nettopp oppdaget i 2018, fokuserte forskerne på materialet på grunn av potensialet og mystikken rundt det. "Mange av de store spørsmålene som ble stilt i 2018 har ennå ikke blitt besvart," sa Erin Morissette, en doktorgradsstudent i Lis lab på Brown som ledet arbeidet. Fysikere bruker vanligvis kjernemagnetisk resonans eller NMR for å måle spinn av elektroner. De gjør dette ved å stimulere de kjernemagnetiske egenskapene i et prøvemateriale ved å bruke mikrobølgestråling og deretter lese de forskjellige signaturene denne strålingen forårsaker for å måle spinn. Utfordringen med 2D-materialer er at den magnetiske signaturen til elektroner som respons på mikrobølgeeksitasjonen er for liten til å oppdage. Forskerteamet bestemte seg for å improvisere. I stedet for å direkte oppdage magnetiseringen av elektronene, målte de subtile endringer i elektronisk motstand, som ble forårsaket av endringene i magnetisering fra strålingen ved hjelp av en enhet produsert ved Institute for Molecular and Nanoscale Innovation at Brown. Disse små variasjonene i strømmen av de elektroniske strømmene gjorde det mulig for forskerne å bruke enheten til å oppdage at elektronene absorberte bildene fra mikrobølgestrålingen. Forskerne var i stand til å observere ny informasjon fra eksperimentene. Teamet la for eksempel merke til at interaksjoner mellom fotonene og elektronene fikk elektronene i visse deler av systemet til å oppføre seg slik de ville gjort i et anti-ferromagnetisk system - noe som betyr at magnetismen til noen atomer ble kansellert av et sett med magnetiske atomer som er justert i motsatt retning. Den nye metoden for å studere spinn i 2D-materialer og de nåværende funnene vil ikke være anvendelig for teknologi i dag, men forskerteamet ser potensielle anvendelser metoden kan føre til i fremtiden. De planlegger å fortsette å bruke metoden deres på vridd tolags grafen, men også utvide den til annet 2D-materiale. "Det er et veldig mangfoldig verktøysett som vi kan bruke for å få tilgang til en viktig del av den elektroniske orden i disse sterkt korrelerte systemene og generelt for å forstå hvordan elektroner kan oppføre seg i 2D-materialer," sa Morissette. Eksperimentet ble utført eksternt i 2021 ved Center for Integrated Nanotechnologies i New Mexico. Mathias S.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php