二十年來，物理學家一直試圖直接操縱石墨烯等二維材料中的電子自旋。這樣做可以在蓬勃發展的二維電子學世界中帶來關鍵性的進展，在這個領域中，超快、小型和靈活的電子設備會根據量子力學進行計算。

研究人員發現了一種新的實驗技術來研究二維量子材料中的電子自旋特性，克服了一個長期的挑戰，並有可能使基於這些材料的先進計算和通信技術得到發展。資料來源：李佳/布朗大學

阻礙科學家們測量電子自旋的典型方法–一種使物理宇宙中的一切具有結構的基本行為–通常在二維材料中不起作用。這使得充分了解這些材料並推動基於它們的技術進步變得異常困難。但是由布朗大學研究人員領導的一個科學家團隊認為他們現在有辦法解決這一長期的挑戰。他們在5月11日發表在《自然-物理》雜誌上的一項新研究中描述了他們的解決方案。

在這項研究中，該團隊–其中還包括來自桑迪亞國家實驗室綜合納米技術中心和因斯布魯克大學的科學家–描述了他們認為是第一次顯示二維材料中旋轉的電子與來自微波輻射的光子之間直接互動的測量。據研究人員稱，電子對微波光子的吸收被稱為耦合，它建立了一種新的實驗技術，用於直接研究電子在這些二維量子材料中如何旋轉的特性–這種技術可以作為開發基於這些材料的計算和通信技術的基礎。

“自旋結構是量子現像中最重要的部分，但我們從來沒有真正在這些二維材料中直接探測過它，”布朗大學物理學助理教授、該研究的資深作者李佳說。”這一挑戰使我們在過去20年裡無法從理論上研究這些迷人的材料中的自旋。我們現在可以用這種方法來研究很多以前無法研究的不同系統。”

研究人員在一種相對較新的二維材料上進行了測量，這種材料被稱為”魔角”扭曲雙層石墨烯。這種基於石墨烯的材料是在兩片超薄的碳層堆疊並扭曲到恰到好處的角度時產生的，將新的雙層結構轉化為一種超導體，使電力流動沒有阻力或能量浪費。2018年剛剛發現，研究人員專注於這種材料，因為圍繞它的潛力和神秘感。

“2018年提出的很多重大問題仍未得到解答，”領導這項工作的布朗大學Li實驗室的研究生Erin Morissette說。

物理學家通常使用核磁共振或NMR來測量電子的自旋。他們通過使用微波輻射激發樣品材料的核磁特性，然後讀取這種輻射引起的不同特徵來測量自旋。

二維材料所面臨的挑戰是，電子對微波激發的磁性特徵太小，無法檢測。該研究小組決定隨機應變。他們沒有直接檢測電子的磁化，而是使用布朗大學分子和納米創新研究所製造的設備測量電子電阻的細微變化，這些變化是由輻射的磁化變化引起的。電子電流流動的這些細微變化使研究人員能夠使用該設備檢測電子正在吸收微波輻射的照片。

研究人員能夠從實驗中觀察到新的信息。例如，研究小組注意到，光子和電子之間的相互作用使該系統某些部分的電子表現得像在反鐵磁系統中一樣–這意味著一些原子的磁性被一組以相反方向排列的磁性原子所抵消了。

研究二維材料中自旋的新方法和目前的發現不會適用於今天的技術，但研究小組看到了該方法在未來可能導致的潛在應用。他們計劃繼續將他們的方法應用於扭曲的雙層石墨烯，但也將其擴展到其他二維材料。

Morissette說：”這是一個真正多樣化的工具集，我們可以用它來獲取這些強相關係統中電子秩序的一個重要部分，並在總體上理解電子在二維材料中的行為。”