Przez dwie dekady fizycy próbowali bezpośrednio manipulować spinem elektronów w materiałach 2D, takich jak grafen. Może to zapoczątkować kluczowe postępy w rozwijającym się świecie elektroniki 2D, dziedzinie, w której superszybkie, małe i elastyczne urządzenia elektroniczne wykonują obliczenia w oparciu o mechanikę kwantową.
Na przeszkodzie stoi to, że typowy sposób, w jaki naukowcy mierzą spin elektronów – podstawowe zachowanie, które nadaje strukturze wszystko w fizycznym wszechświecie – zwykle nie działa w materiałach 2D. To sprawia, że niezwykle trudno jest w pełni zrozumieć materiały i napędzać oparty na nich postęp technologiczny. Ale zespół naukowców kierowany przez badaczy z Brown University wierzy, że teraz ma sposób na obejście tego długotrwałego wyzwania. Opisują swoje rozwiązanie w nowym badaniu opublikowanym w Nature Physics.
W badaniu zespół – w skład którego wchodzą również naukowcy z Centrum Zintegrowanych Nanotechnologii w Sandia National Laboratories i Uniwersytetu w Innsbrucku – opisują to, co uważają za pierwszy pomiar pokazujący bezpośrednią interakcję między elektronami wirującymi w materiale 2D i fotony pochodzące z promieniowania mikrofalowego. Nazywana sprzężeniem, absorpcja fotonów mikrofalowych przez elektrony ustanawia nowatorską technikę eksperymentalną do bezpośredniego badania właściwości wirowania elektronów w tych dwuwymiarowych materiałach kwantowych – taką, która może służyć jako podstawa do rozwoju technologii obliczeniowych i komunikacyjnych opartych na tych materiałach. zdaniem naukowców.
„Struktura spinowa jest najważniejszą częścią zjawiska kwantowego, ale tak naprawdę nigdy nie mieliśmy bezpośredniej sondy w tych materiałach 2D” – powiedział Jia Li, adiunkt fizyki w Brown i główny autor badań. „To wyzwanie uniemożliwiło nam teoretyczne badanie spinu w tym fascynującym materiale przez ostatnie dwie dekady. Możemy teraz użyć tej metody do badania wielu różnych systemów, których wcześniej nie mogliśmy badać”.
Naukowcy dokonali pomiarów na stosunkowo nowym materiale 2D zwanym skręconym dwuwarstwowym grafenem o „magicznym kącie”. Ten materiał na bazie grafenu powstaje, gdy dwie warstwy ultracienkich warstw węgla są ułożone i skręcone pod odpowiednim kątem, przekształcając nową dwuwarstwową strukturę w nadprzewodnik, który umożliwia przepływ energii elektrycznej bez oporu i strat energii. Dopiero co odkryto w 2018 roku, naukowcy skupili się na materiale ze względu na otaczający go potencjał i tajemnicę.
„Wiele głównych pytań, które zostały postawione w 2018 r., Wciąż nie ma odpowiedzi” – powiedziała Erin Morissette, doktorantka w laboratorium Li w Brown, która kierowała pracą.
Fizycy zwykle używają magnetycznego rezonansu jądrowego lub NMR do pomiaru spinu elektronów. Robią to, wzbudzając magnetyczne właściwości jądrowe w materiale próbki za pomocą promieniowania mikrofalowego, a następnie odczytując różne sygnatury, które to promieniowanie powoduje, aby zmierzyć spin.
Wyzwanie związane z materiałami 2D polega na tym, że magnetyczna sygnatura elektronów w odpowiedzi na wzbudzenie mikrofalowe jest zbyt mała, aby ją wykryć. Zespół badawczy postanowił improwizować. Zamiast bezpośrednio wykrywać namagnesowanie elektronów, zmierzyli subtelne zmiany w rezystancji elektronicznej, które były spowodowane zmianami namagnesowania wywołanymi promieniowaniem za pomocą urządzenia wyprodukowanego w Instytucie Innowacji Molekularnych i Nanoskali w Brown. Te niewielkie zmiany w przepływie prądów elektronicznych pozwoliły naukowcom użyć urządzenia do wykrycia, że elektrony pochłaniają zdjęcia z promieniowania mikrofalowego.
Naukowcy byli w stanie zaobserwować nowe informacje z eksperymentów. Zespół zauważył na przykład, że interakcje między fotonami i elektronami powodowały, że elektrony w pewnych częściach układu zachowywały się tak, jak w układzie antyferromagnetycznym – co oznacza, że magnetyzm niektórych atomów został zniesiony przez zestaw atomów magnetycznych, które są ustawione w odwrotnym kierunku.
Nowa metoda badania spinu w materiałach 2D i obecne odkrycia nie będą miały zastosowania w dzisiejszej technologii, ale zespół badawczy widzi potencjalne zastosowania, do których ta metoda może prowadzić w przyszłości. Planują nadal stosować swoją metodę do skręconego dwuwarstwowego grafenu, ale także rozszerzyć ją na inny materiał 2D.
“To naprawdę zróżnicowany zestaw narzędzi, którego możemy użyć, aby uzyskać dostęp do ważnej części porządku elektronicznego w tych silnie skorelowanych systemach i ogólnie zrozumieć, jak elektrony mogą zachowywać się w materiałach 2D” – powiedział Morissette.
Eksperyment przeprowadzono zdalnie w 2021 roku w Center for Integrated Nanotechnologies w Nowym Meksyku. Mathias S. Scheurer z Uniwersytetu w Innsbrucku zapewnił teoretyczne wsparcie dla modelowania i zrozumienia wyników. Prace obejmowały finansowanie z National Science Foundation, Departamentu Obrony USA i Biura Naukowego Departamentu Energii USA.