利用新的实验方法 研究人员首次探测了2D材料中的自旋结构

二十年来，物理学家一直试图直接操纵石墨烯等2D材料中电子的自旋。这样做可能会激发蓬勃发展的2D电子领域的关键进步，在这个领域，超快速，小型和灵活的电子设备执行基于量子力学的计算。

阻碍的是，科学家测量电子自旋的典型方式 - 一种赋予物理宇宙中一切结构的基本行为 - 通常不适用于2D材料。这使得完全理解材料并推动基于它们的技术进步变得非常困难。但由布朗大学研究人员领导的一组科学家认为，他们现在有办法解决这一长期挑战。他们在发表在《自然物理学》上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 - 还包括桑迪亚国家实验室综合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显示2D材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接相互作用的测量。

被称为耦合，电子对微波光子的吸收建立了一种新的实验技术，用于直接研究电子如何在这些2D量子材料中旋转的性质 - 研究人员表示，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。

“自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从未真正在这些2D材料中直接探测过它，”布朗大学物理学助理教授，该研究的资深作者Jia Li说。“在过去的二十年里，这一挑战阻止了我们从理论上研究这些迷人材料的自旋。我们现在可以使用这种方法来研究许多不同的系统，这是我们以前无法研究的。

研究人员对一种相对较新的2D材料进行了测量，称为“魔角”扭曲双层石墨烯。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄碳层堆叠并扭曲到正确的角度时产生的，将新的双层结构转化为超导体，允许电流在没有阻力或能源浪费的情况动。2018年刚刚发现，研究人员专注于这种材料，因为它的潜力和神秘性。

“2018年提出的许多主要问题仍未得到解答，”领导这项工作的李实验室的研究生艾琳·莫里塞特(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，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。

2D材料的挑战在于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，而是测量了电子电阻的细微变化，这些变化是由使用布朗分子和纳米创新研究所制造的装置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装置来检测电子是否正在吸收微波辐射的照片。

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中的电子表现得与反铁磁系统中的行为相同 - 这意味着一些原子的磁性被一组相反方向排列的磁性原子抵消。

研究2D材料自旋的新方法和目前的发现不适用于今天的技术，但研究小组看到了该方法在未来可能导致的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他2D材料。

“这是一个非常多样化的工具集，我们可以用来访问这些强相关系统中电子秩序的重要组成部分，并通常了解电子在2D材料中的行为，”Morissette说。

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