Với phương pháp thử nghiệm mới, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thăm dò cấu trúc spin trong vật liệu 2D

Với phương pháp thử nghiệm mới, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu thăm dò cấu trúc spin trong vật liệu 2D

Dấu thời gian: 11:2023 sáng ngày 11 tháng 25 năm XNUMX
Nút nguồn: 2644734
Ngày 11 tháng 2023 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Trong hai thập kỷ, các nhà vật lý đã cố gắng điều khiển trực tiếp spin của các electron trong các vật liệu 2D như graphene. Làm như vậy có thể tạo ra những tiến bộ quan trọng trong thế giới điện tử 2D đang phát triển, một lĩnh vực mà các thiết bị điện tử siêu nhanh, nhỏ và linh hoạt thực hiện các tính toán dựa trên cơ học lượng tử. Ngại đường là cách điển hình mà các nhà khoa học đo lường spin của các electron — một hành vi thiết yếu mang lại cho mọi thứ trong vũ trụ vật chất cấu trúc của nó — thường không hoạt động trong Vật liệu 2D. Điều này khiến cho việc hiểu đầy đủ các tài liệu và thúc đẩy những tiến bộ công nghệ dựa trên chúng trở nên vô cùng khó khăn. Nhưng một nhóm các nhà khoa học do các nhà nghiên cứu của Đại học Brown dẫn đầu tin rằng giờ đây họ đã có cách giải quyết thách thức lâu đời này. Họ mô tả giải pháp của họ trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Vật lý tự nhiên (“Sự hồi sinh của Dirac thúc đẩy phản ứng cộng hưởng trong graphene hai lớp xoắn”). tương tác trực tiếp giữa các electron quay trong vật liệu 2D và các photon đến từ bức xạ vi sóng Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu mô tả những gì họ tin là phép đo đầu tiên cho thấy sự tương tác trực tiếp giữa các electron quay trong vật liệu 2D và các photon đến từ bức xạ vi sóng. (Hình ảnh: Jia Li, Đại học Brown) Trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu - bao gồm cả các nhà khoa học từ Trung tâm Công nghệ nano tích hợp tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia và Đại học Innsbruck - mô tả những gì họ tin là phép đo đầu tiên cho thấy sự tương tác trực tiếp giữa các electron quay trong vật liệu 2D và các photon đến từ bức xạ vi sóng. Được gọi là sự ghép đôi, sự hấp thụ các photon vi sóng bởi các electron thiết lập một kỹ thuật thí nghiệm mới để nghiên cứu trực tiếp các tính chất về cách các electron quay trong các vật liệu lượng tử 2D này — một kỹ thuật có thể đóng vai trò là nền tảng để phát triển các công nghệ điện toán và truyền thông dựa trên các vật liệu đó, theo đến các nhà nghiên cứu. Jia Li, trợ lý giáo sư vật lý tại Brown và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Cấu trúc spin là phần quan trọng nhất của hiện tượng lượng tử, nhưng chúng tôi chưa bao giờ thực sự có một cuộc thăm dò trực tiếp về nó trong các vật liệu 2D này. “Thách thức đó đã ngăn cản chúng tôi nghiên cứu về mặt lý thuyết spin trong những vật liệu hấp dẫn này trong hai thập kỷ qua. Bây giờ chúng tôi có thể sử dụng phương pháp này để nghiên cứu rất nhiều hệ thống khác nhau mà trước đây chúng tôi không thể nghiên cứu được.” Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các phép đo trên một vật liệu 2D tương đối mới gọi là graphene hai lớp xoắn “góc ma thuật”. Vật liệu dựa trên graphene này được tạo ra khi hai tấm các lớp carbon siêu mỏng được xếp chồng lên nhau và xoắn theo đúng góc, biến cấu trúc hai lớp mới thành một chất siêu dẫn cho phép dòng điện chạy mà không có điện trở hoặc lãng phí năng lượng. Mới được phát hiện vào năm 2018, các nhà nghiên cứu tập trung vào vật liệu này vì tiềm năng và bí ẩn xung quanh nó. Erin Morissette, một sinh viên tốt nghiệp trong phòng thí nghiệm của Li tại Brown, người đứng đầu công việc cho biết: “Rất nhiều câu hỏi lớn được đặt ra trong năm 2018 vẫn chưa được trả lời. Các nhà vật lý thường sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân hoặc NMR để đo spin của các electron. Họ làm điều này bằng cách kích thích các đặc tính từ tính hạt nhân trong vật liệu mẫu bằng cách sử dụng bức xạ vi sóng và sau đó đọc các dấu hiệu khác nhau mà bức xạ này gây ra để đo spin. Thách thức đối với vật liệu 2D là dấu hiệu từ tính của các electron phản ứng với kích thích vi sóng quá nhỏ để có thể phát hiện được. Nhóm nghiên cứu quyết định ứng biến. Thay vì phát hiện trực tiếp sự từ hóa của các electron, họ đã đo những thay đổi tinh tế trong điện trở điện tử, gây ra bởi những thay đổi trong từ hóa từ bức xạ bằng cách sử dụng một thiết bị được chế tạo tại Viện Đổi mới Phân tử và Cấp độ Nano ở Brown. Những biến thể nhỏ này trong dòng điện tử cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng thiết bị để phát hiện ra rằng các điện tử đang hấp thụ các bức ảnh từ bức xạ vi sóng. Các nhà nghiên cứu đã có thể quan sát thông tin mới từ các thí nghiệm. Ví dụ, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các tương tác giữa các photon và electron làm cho các electron trong một số phần của hệ thống hoạt động giống như trong một hệ thống phản sắt từ - nghĩa là từ tính của một số nguyên tử bị triệt tiêu bởi một tập hợp các nguyên tử từ tính thẳng hàng theo hướng ngược lại. Phương pháp mới để nghiên cứu spin trong vật liệu 2D và những phát hiện hiện tại sẽ không thể áp dụng cho công nghệ ngày nay, nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy các ứng dụng tiềm năng mà phương pháp này có thể mang lại trong tương lai. Họ dự định tiếp tục áp dụng phương pháp của họ cho graphene hai lớp xoắn nhưng cũng mở rộng nó sang vật liệu 2D khác. Morissette nói: “Đó là một bộ công cụ thực sự đa dạng mà chúng ta có thể sử dụng để truy cập vào một phần quan trọng của trật tự điện tử trong các hệ thống tương quan chặt chẽ này và nói chung để hiểu cách thức các điện tử có thể hoạt động trong các vật liệu 2D. Thí nghiệm được thực hiện từ xa vào năm 2021 tại Trung tâm Công nghệ nano tích hợp ở New Mexico. Mathias S.

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano