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Nanotechnology Now – 新闻稿：通过新的实验方法，研究人员首次探测二维材料中的自旋结构：通过观察“魔角”石墨烯中的自旋结构，由布朗大学研究人员领导的一组科学家找到了长期以来的解决方法- 两个领域的常设障碍

纳米技术时间戳：15年2023月11日下午47:XNUMX

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通过观察“魔角”石墨烯中的自旋结构，由布朗大学研究人员领导的科学家团队找到了解决二维电子学领域长期存在的障碍的方法。信用李佳/布朗大学

摘要：
二十年来，物理学家一直试图直接操纵石墨烯等二维材料中的电子自旋。这样做可能会激发新兴的二维电子学领域的关键进步，在这个领域，超快速、小型且灵活的电子设备可以基于量子力学进行计算。

通过新的实验方法，研究人员首次探测二维材料中的自旋结构：通过观察“魔角”石墨烯中的自旋结构，由布朗大学研究人员领导的一组科学家找到了解决该领域长期障碍的方法两个

罗德岛州普罗维登斯 |发表于 12 年 2023 月 XNUMX 日

阻碍的是科学家测量电子自旋的典型方法——电子自旋是赋予物理宇宙中一切事物结构的基本行为——通常不适用于二维材料。这使得完全理解这些材料并推动基于它们的技术进步变得极其困难。但由布朗大学研究人员领导的一组科学家相信，他们现在找到了解决这一长期挑战的方法。他们在《自然物理学》上发表的一项新研究中描述了他们的解决方案。

在这项研究中，该团队（还包括来自桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家）描述了他们认为是第一个测量结果，显示了二维材料中旋转的电子与即将到来的光子之间的直接相互作用来自微波辐射。电子对微波光子的吸收被称为耦合，建立了一种新颖的实验技术，可以直接研究电子在这些二维量子材料中如何旋转的特性，该技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。给研究人员。

“自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从未在这些二维材料中真正对其进行过直接探测，”布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说。 “在过去的二十年里，这一挑战使我们无法从理论上研究这些令人着迷的材料中的自旋。我们现在可以使用这种方法来研究许多以前无法研究的不同系统。”

研究人员对一种相对较新的二维材料（称为“魔角”扭曲双层石墨烯）进行了测量。这种基于石墨烯的材料是通过将两片超薄碳层堆叠并扭曲成直角而形成的，将新的双层结构转变为超导体，使电流能够在没有阻力或能源浪费的情况下流动。研究人员于 2 年刚刚发现这种材料，因为它具有潜力且神秘。

“2018 年提出的许多主要问题仍未得到解答，”领导这项工作的布朗大学李实验室的研究生 Erin Morissette 说。

物理学家通常使用核磁共振或核磁共振来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样品材料中的核磁特性，然后读取该辐射引起的不同特征来测量自旋来实现这一点。

二维材料面临的挑战是电子响应微波激发的磁性特征太小而无法检测到。研究小组决定即兴发挥。他们没有直接检测电子的磁化强度，而是测量了电阻的细微变化，这是由使用布朗分子和纳米创新研究所制造的设备的辐射磁化强度变化引起的。电子电流流动的这些微小变化使研究人员能够使用该设备来检测电子是否正在吸收微波辐射中的照片。

研究人员能够从实验中观察到新的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样——这意味着一些原子的磁性被一组磁性原子抵消了，这些原子是沿相反方向对齐。

研究二维材料自旋的新方法和当前的发现不适用于当今的技术，但研究团队看到了该方法在未来可能带来的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲双层石墨烯，并将其扩展到其他二维材料。

“这是一个非常多样化的工具集，我们可以使用它来访问这些强相关系统中电子顺序的重要部分，并通常了解电子在二维材料中的行为方式，”莫里塞特说。

该实验于 2021 年在新墨西哥州集成纳米技术中心远程进行。因斯布鲁克大学的 Mathias S. Scheurer 为建模和理解结果提供了理论支持。这项工作包括来自美国国家科学基金会、美国国防部和美国能源部科学办公室的资助。

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联系方式：
胡安·西里扎尔（Juan Siliezar）
布朗大学
办公室：401 863 3766

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