二十年来，物理学家一直在努力直接操纵石墨烯等二维材料中的电子自旋，这可能会开启二维电子学的进步。电子自旋的标准测量技术通常在二维材料中失败，阻碍了技术进步。然而，由布朗大学的研究人员领导的一个团队已经找到了解决方案，并发表在《Nature Physics》上。该研究首次证明了二维材料中自旋电子与微波辐射光子之间的直接相互作用，为研究二维量子材料中电子自旋特性建立了一种新的实验技术。这项技术可以为基于二维材料的计算和通信技术铺平道路。

研究人员发现了一种新的实验技术来研究二维量子材料中的电子自旋特性，克服了长期存在的挑战，并有可能开发基于这些材料的先进计算和通信技术。

图片来源：Jia Li/布朗大学

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。这样做可能会在迅速发展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。

阻碍的是，科学家测量电子自旋的典型方法——一种赋予物理宇宙中一切事物结构的基本行为——通常不适用于二维材料。这使得完全理解这些材料并推动基于它们的技术进步变得异常困难。但由布朗大学研究人员领导的一组科学家认为，他们现在已经找到了解决这个长期挑战的方法，并在 5月11日发表在《Nature Physics》杂志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——还包括来自桑迪亚国家实验室集成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来自微波辐射的光子之间的直接相互作用的测量结果。电子对微波光子的吸收建立了一种新的实验技术，称为耦合，用于直接研究电子如何在这些二维量子材料中旋转的特性——可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础，据研究人员说。

“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二维材料中对其进行过直接探测，”布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李佳说。“在过去的二十年里，这一挑战阻碍了我们从理论上研究这些迷人材料中的自旋。我们现在可以用这种方法研究许多以前无法研究的不同系统。”

研究人员对一种称为“魔角”扭曲双层石墨烯的相对较新的二维材料进行了测量。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄碳层堆叠并扭曲成恰好角度时产生的，将新的双层结构转化为超导体，使电流无阻力或不会产生浪费的流动。研究人员在2018年发现这种材料，因为它的潜力和神秘性，他们将重点放在这种材料上。

“2018年提出的许多主要问题仍未得到解答，”领导这项工作的布朗大学实验室的研究生Erin Morissette说。

物理学家通常使用核磁共振或 NMR 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。

二维材料的挑战在于电子响应微波激发的磁特征太小而无法检测。研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化强度，而是使用布朗大学分子和纳米级创新研究所制造的一种设备，测量了由辐射磁化强度变化引起的电子电阻的细微变化。这些电流流动的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反向排列的磁性原子抵消了。

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，并将其扩展到其他二维材料。

Morissette说，“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，并总体上理解电子在二维材料中的行为方式。”

参考文献：“Dirac revivals drive a resonance response in twisted bilayer graphene” by Erin Morissette, Jiang-Xiazi Lin, Dihao Sun, Liangji Zhang, Song Liu, Daniel Rhodes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone, Johannes Pollanen, Mathias S. Scheurer, Michael Lilly, Andrew Mounce and J. I. A. Li, 11 May 2023, Nature Physics.

DOI: 10.1038/s41567-023-02060-0

文章来源：

https://scitechdaily.com/pioneering-experimental-method-unlocks-spin-structure-secrets-in-2d-materials/