Com novo método experimental, pesquisadores investigam estrutura de spin em materiais 2D pela primeira vez

11 de maio de 2023 (Notícias do Nanowerk) Por duas décadas, os físicos tentaram manipular diretamente o spin dos elétrons em materiais 2D como grafeno. Fazer isso pode desencadear avanços importantes no crescente mundo da eletrônica 2D, um campo em que dispositivos eletrônicos super-rápidos, pequenos e flexíveis realizam cálculos baseados na mecânica quântica. No caminho está o fato de que a maneira típica pela qual os cientistas medem o spin dos elétrons - um comportamento essencial que dá a tudo no universo físico sua estrutura - geralmente não funciona em Materiais 2D. Isso torna incrivelmente difícil entender completamente os materiais e impulsionar os avanços tecnológicos baseados neles. Mas uma equipe de cientistas liderada por pesquisadores da Brown University acredita que agora eles têm uma maneira de contornar esse desafio de longa data. Eles descrevem sua solução em um novo estudo publicado na Física da Natureza (“Os revivals de Dirac geram uma resposta de ressonância no grafeno de duas camadas torcidas”). No estudo, os pesquisadores descrevem o que acreditam ser a primeira medição mostrando interação direta entre elétrons girando em um material 2D e fótons provenientes da radiação de micro-ondas. (Imagem: Jia Li, Brown University) No estudo, a equipe - que também inclui cientistas do Centro de Nanotecnologias Integradas do Sandia National Laboratories e da Universidade de Innsbruck - descreve o que eles acreditam ser a primeira medição mostrando interação direta entre elétrons girando em um material 2D e fótons vindos da radiação de micro-ondas. Chamada de acoplamento, a absorção de fótons de micro-ondas por elétrons estabelece uma nova técnica experimental para estudar diretamente as propriedades de como os elétrons giram nesses materiais quânticos 2D – uma que pode servir como base para o desenvolvimento de tecnologias computacionais e de comunicação baseadas nesses materiais, de acordo com aos pesquisadores. “A estrutura do spin é a parte mais importante de um fenômeno quântico, mas nunca tivemos uma sondagem direta para isso nesses materiais 2D”, disse Jia Li, professor assistente de física na Brown e autor sênior da pesquisa. “Esse desafio nos impediu de estudar teoricamente a rotação desses materiais fascinantes nas últimas duas décadas. Agora podemos usar esse método para estudar muitos sistemas diferentes que não podíamos estudar antes”. Os pesquisadores fizeram as medições em um material 2D relativamente novo chamado grafeno de bicamada torcida de “ângulo mágico”. Este material à base de grafeno é criado quando duas folhas de camadas ultrafinas de carbono são empilhadas e torcidas no ângulo certo, convertendo a nova estrutura de camada dupla em um supercondutor que permite que a eletricidade flua sem resistência ou desperdício de energia. Descoberta apenas em 2018, os pesquisadores se concentraram no material por causa do potencial e do mistério que o cerca. “Muitas das principais questões que foram colocadas em 2018 ainda precisam ser respondidas”, disse Erin Morissette, estudante de pós-graduação do laboratório de Li em Brown, que liderou o trabalho. Os físicos geralmente usam ressonância magnética nuclear ou RMN para medir o spin dos elétrons. Eles fazem isso excitando as propriedades magnéticas nucleares em um material de amostra usando radiação de micro-ondas e, em seguida, lendo as diferentes assinaturas que essa radiação causa para medir o spin. O desafio com materiais 2D é que a assinatura magnética dos elétrons em resposta à excitação de micro-ondas é muito pequena para ser detectada. A equipe de pesquisa decidiu improvisar. Em vez de detectar diretamente a magnetização dos elétrons, eles mediram mudanças sutis na resistência eletrônica, causadas pelas mudanças na magnetização da radiação usando um dispositivo fabricado no Institute for Molecular and Nanoscale Innovation em Brown. Essas pequenas variações no fluxo das correntes eletrônicas permitiram que os pesquisadores usassem o aparelho para detectar que os elétrons estavam absorvendo as fotos da radiação de micro-ondas. Os pesquisadores foram capazes de observar novas informações dos experimentos. A equipe notou, por exemplo, que as interações entre os fótons e os elétrons faziam com que os elétrons em certas seções do sistema se comportassem como em um sistema antiferromagnético – o que significa que o magnetismo de alguns átomos foi cancelado por um conjunto de átomos magnéticos que são alinhados no sentido inverso. O novo método para estudar a rotação em materiais 2D e as descobertas atuais não serão aplicáveis ​​à tecnologia hoje, mas a equipe de pesquisa vê possíveis aplicações que o método pode levar no futuro. Eles planejam continuar aplicando seu método ao grafeno bicamada torcido, mas também expandi-lo para outro material 2D. “É um conjunto de ferramentas realmente diversificado que podemos usar para acessar uma parte importante da ordem eletrônica nesses sistemas fortemente correlacionados e, em geral, entender como os elétrons podem se comportar em materiais 2D”, disse Morissette. O experimento foi realizado remotamente em 2021 no Centro de Nanotecnologias Integradas no Novo México. Mathias S.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php