通过观察“魔角”石墨烯的自旋结构，一个科学家团队找到了解决二维电子领域长期存在的障碍的方法。
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。这样做可能会在新兴的二维电子领域引发重大进展，二维电子领域是一个超快速、小型和灵活的电子设备基于量子力学进行计算的领域。
阻碍我们的是，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，通常在2D材料中不起作用。这使得人们很难完全理解这些材料并以此为基础推动技术进步。但由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为，他们现在有办法解决这一长期挑战。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二维材料中旋转的电子与进入的光子之间的直接相互作用的测量结果来自微波辐射。研究人员表示，电子对微波光子的吸收被称为耦合，这为直接研究电子在这些2D量子材料中如何自旋的特性建立了一种新的实验技术，可以为开发基于这些材料的计算和通信技术奠定基础。
布朗大学物理学助理教授、该研究的高级作者Jia Li说：“自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从未在这些2D材料中真正有过直接的探针。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迷人材料中的自旋。我们现在可以使用这种方法研究许多以前无法研究的不同系统。”
研究人员对一种名为“魔角”扭曲双层石墨烯的相对较新的2D材料进行了测量。这种石墨烯基材料是在两片超薄碳层堆叠并扭曲成直角时产生的，将新的双层结构转化为超导体，使电能在没有阻力或能量浪费的情况下流动。2018年刚刚发现的这种材料，由于其潜力和神秘性，研究人员将重点放在了它身上。
“2018年提出的许多主要问题仍有待回答，”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本材料中的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。
二维材料面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。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，而是使用布朗分子与纳米创新研究所制造的设备测量了电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射引起的磁化强度变化引起的。电流流动的这些微小变化使研究人员能够使用该设备检测电子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信息。例如，该团队注意到，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反方向对齐。
研究二维材料自旋的新方法和目前的研究结果不适用于今天的技术，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的双层石墨烯，但也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，并且通常可以了解电子在二维材料中的行为方式，”Morissette说。
该实验于2021年在新墨西哥州的综合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。这项工作得到了国家科学基金会、美国国防部和美国能源部科学办公室的资助。
这项研究于5月11日发表在《自然物理学》期刊上。
doi:10.1038/s41567-023-02060-0
