過去二十年來，物理學家一直在嘗試直接影響石墨烯等二維材料中電子的自旋。成功實現這一目標將推動快速發展的二維電子學領域取得重大進展，在這一領域，超高速、小型和靈活的電子設備可根據量子力學進行計算。

然而，一個主要的障礙是科學家們用來測量電子自旋的標準方法–一種賦予宇宙萬物結構的基本行為–通常在二維材料中不起作用。

這使得全面了解這種材料並在此基礎上推動技術進步變得異常困難。但布朗大學研究人員領導的科學家團隊相信，他們現在有辦法解決這一長期存在的難題。他們在發表於《自然-物理》（Nature Physics）的一項新研究中描述了他們的解決方案。

在這項研究中，該研究小組–其中還包括來自桑迪亞國家實驗室集成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首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相互作用的測量結果。研究人員稱，電子吸收微波光子被稱為耦合，它為直接研究二維量子材料中電子如何自旋的特性提供了一種新的實驗技術–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，但我們從未真正在這些二維材料中對其進行過直接探測，”布朗大學物理學助理教授、該研究的資深作者李嘉說。布朗大學物理學助理教授、該研究的資深作者李嘉說：”過去二十年來，這一挑戰阻礙了我們從理論上研究這些迷人材料中的自旋。我們現在可以用這種方法來研究許多我們以前無法研究的不同系統。”

研究人員在一種名為”魔角”扭曲雙層石墨烯的相對較新的二維材料上進行了測量。這種基於石墨烯的材料是由兩片超薄的碳層堆疊而成，並以恰到好處的角度扭曲，從而將新的雙層結構轉化為超導體，使電流流動時沒有阻力或能量浪費。這種材料在2018年剛剛被發現，研究人員之所以關注它，是因為它的潛力和神秘性。

“2018年提出的許多重大問題仍有待解答，”布朗大學李的實驗室裡領導這項工作的研究生艾琳-莫里塞特（Erin Morissette）說。

物理學家通常使用核磁共振或NMR來測量電子自旋。他們使用微波輻射激發樣品材料的核磁特性，然後讀取輻射引起的不同信號來測量自旋。

二維材料所面臨的挑戰是，電子在微波激勵下產生的磁信號太小，無法檢測。研究小組決定隨機應變。他們沒有直接檢測電子的磁化，而是利用布朗大學分子和納米創新研究所製造的設備測量了電子電阻的微妙變化，這些變化是由輻射引起的磁化變化造成的。電子電流流的這些微小變化使研究人員能夠利用該裝置檢測到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得系統某些部分的電子表現出反鐵磁系統的行為–這意味著一些原子的磁性被一組反方向排列的磁性原子抵消了。

這種研究二維材料自旋的新方法和目前的發現並不適用於當今的技術，但研究小組看到了這種方法在未來可能帶來的潛在應用。他們計劃繼續將他們的方法應用於扭曲雙層石墨烯，並將其擴展到其他二維材料。

莫里塞特說：”這是一個非常多樣化的工具集，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，並從總體上理解電子在二維材料中的行為方式。”