Med en ny experimentell metod undersöker forskare spinstruktur i 2D-material för första gången

11 maj 2023 (Nanowerk Nyheter) I två decennier har fysiker försökt att direkt manipulera elektronernas spinn i 2D-material som grafen. Att göra det kan leda till viktiga framsteg i den växande världen av 2D-elektronik, ett område där supersnabba, små och flexibla elektroniska enheter utför beräkningar baserade på kvantmekanik. Står i vägen är att det typiska sättet på vilket forskare mäter elektronernas spinn - ett väsentligt beteende som ger allt i det fysiska universum dess struktur - vanligtvis inte fungerar i 2D material. Detta gör det otroligt svårt att helt förstå materialen och driva fram tekniska framsteg baserat på dem. Men ett team av forskare under ledning av Brown University-forskare tror att de nu har en väg runt denna långvariga utmaning. De beskriver sin lösning i en ny studie publicerad i Naturfysik ("Dirac väckelser driver ett resonanssvar i vriden dubbelskiktsgrafen"). I studien beskriver forskarna vad de tror är den första mätningen som visar direkt interaktion mellan elektroner som snurrar i ett 2D-material och fotoner som kommer från mikrovågsstrålning. (Bild: Jia Li, Brown University) I studien beskriver teamet – som även inkluderar forskare från Center for Integrated Nanotechnologies vid Sandia National Laboratories och University of Innsbruck – vad de tror är den första mätningen som visar direkt interaktion mellan elektroner som snurrar i ett 2D-material och fotoner som kommer från mikrovågsstrålning. Kallas en koppling, absorptionen av mikrovågsfotoner av elektroner etablerar en ny experimentell teknik för att direkt studera egenskaperna hos hur elektroner snurrar i dessa 2D-kvantmaterial - en som skulle kunna fungera som en grund för utveckling av beräknings- och kommunikationsteknik baserad på dessa material, enligt till forskarna. "Spinstrukturen är den viktigaste delen av ett kvantfenomen, men vi har aldrig riktigt haft en direkt undersökning för det i dessa 2D-material", säger Jia Li, biträdande professor i fysik vid Brown och senior författare till forskningen. "Den utmaningen har hindrat oss från att teoretiskt studera spinn i detta fascinerande material under de senaste två decennierna. Vi kan nu använda den här metoden för att studera många olika system som vi inte kunde studera tidigare." Forskarna gjorde mätningarna på ett relativt nytt 2D-material som kallas "magic-angle" vriden dubbelskiktsgrafen. Detta grafenbaserade material skapas när två ark av ultratunna lager av kol staplas och vrids till precis rätt vinkel, vilket omvandlar den nya dubbelskiktade strukturen till en supraledare som låter elektriciteten flöda utan motstånd eller energislöseri. Forskarna upptäcktes precis 2018 och fokuserade på materialet på grund av potentialen och mystiken kring det. "Många av de stora frågorna som ställdes under 2018 har ännu inte besvarats", säger Erin Morissette, en doktorand i Lis labb på Brown som ledde arbetet. Fysiker använder vanligtvis kärnmagnetisk resonans eller NMR för att mäta elektronernas spinn. De gör detta genom att excitera de kärnmagnetiska egenskaperna i ett provmaterial med hjälp av mikrovågsstrålning och sedan läsa de olika signaturerna som denna strålning orsakar för att mäta spinn. Utmaningen med 2D-material är att den magnetiska signaturen hos elektroner som svar på mikrovågsexcitationen är för liten för att upptäcka. Forskargruppen bestämde sig för att improvisera. Istället för att direkt detektera elektronernas magnetisering, mätte de subtila förändringar i elektroniskt motstånd, som orsakades av förändringarna i magnetiseringen från strålningen med hjälp av en enhet tillverkad vid Institute for Molecular and Nanoscale Innovation i Brown. Dessa små variationer i flödet av de elektroniska strömmarna gjorde det möjligt för forskarna att använda enheten för att upptäcka att elektronerna absorberade bilderna från mikrovågsstrålningen. Forskarna kunde observera ny information från experimenten. Teamet märkte till exempel att interaktioner mellan fotoner och elektroner gjorde att elektroner i vissa delar av systemet beter sig som de skulle göra i ett antiferromagnetiskt system - vilket betyder att magnetismen hos vissa atomer upphävdes av en uppsättning magnetiska atomer som är inriktad i motsatt riktning. Den nya metoden för att studera spinn i 2D-material och de nuvarande rönen kommer inte att vara tillämpliga på teknik idag, men forskargruppen ser potentiella tillämpningar som metoden kan leda till i framtiden. De planerar att fortsätta att tillämpa sin metod på vriden dubbelskiktsgrafen men även utöka den till annat 2D-material. "Det är en väldigt mångsidig verktygsuppsättning som vi kan använda för att komma åt en viktig del av den elektroniska ordningen i dessa starkt korrelerade system och i allmänhet för att förstå hur elektroner kan bete sig i 2D-material," sa Morissette. Experimentet genomfördes på distans 2021 vid Center for Integrated Nanotechnologies i New Mexico. Mathias S.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62979.php