Пятница, 23 февраля, 2024
ДомойФизикаПрорыв в 2D-электронике: исследователи преодолевают давнее препятствие, наблюдая за спиновой структурой графена...

Прорыв в 2D-электронике: исследователи преодолевают давнее препятствие, наблюдая за спиновой структурой графена с «магическим углом»

- Advertisement -

Исследователи из Университета Брауна и их сотрудники нашли способ непосредственного наблюдения за спином электрона в двумерных материалах, таких как графен, свойство, которое ранее было трудно измерить в таких материалах. Команда использовала новую технику обнаружения небольших изменений электронного сопротивления, проложив путь к достижениям в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий. Предоставлено: Цзя Ли/Университет Брауна

Группа ученых во главе с исследователями из Университета Брауна нашла решение давнего препятствия в области двумерной электроники, изучив спиновую структуру в «магическом угле». графен.

В течение последних двадцати лет физики пытались напрямую влиять на спин электронов в двумерных материалах, таких как графен. Успешное достижение этого может стать катализатором значительного прогресса в быстро развивающейся области 2D-электроники, области, в которой сверхбыстрые, маленькие и гибкие электронные устройства выполняют вычисления на основе квантовой механики.

Однако основным препятствием является то, что стандартный метод, используемый учеными для измерения спина электронов — существенное поведение, которое придает всему в физической вселенной его структуру — обычно не работает в 2D-материалах.

Это невероятно затрудняет полное понимание материалов и продвижение технологических достижений на их основе. Но группа ученых во главе с исследователями из Университета Брауна считает, что теперь у них есть способ решить эту давнюю проблему. Они описывают свое решение в новом исследовании, опубликованном в Физика природы.

В исследовании команда, в которую также входят ученые из Центра интегрированных нанотехнологий в Сандийских национальных лабораториях и Университета Инсбрука, описывают то, что они считают первым измерением, показывающим прямое взаимодействие между электронами, вращающимися в двумерном материале, и фотонами, исходящими от микроволнового излучения. Поглощение микроволновых фотонов электронами, называемое связью, устанавливает новую экспериментальную технику для непосредственного изучения свойств вращения электронов в этих двумерных квантовых материалах, которая, по словам исследователей, может служить основой для разработки вычислительных и коммуникационных технологий на основе этих материалов.

«Спиновая структура — самая важная часть квантового явления, но у нас никогда не было прямого исследования этого в этих 2D-материалах», — сказал Цзя Ли, доцент кафедры физики Брауна и старший автор исследования. «Эта проблема мешала нам теоретически изучать вращение этих удивительных материалов в течение последних двух десятилетий. Теперь мы можем использовать этот метод для изучения множества различных систем, которые раньше не могли изучать».

Исследователи провели измерения на относительно новом двумерном материале, называемом скрученным двухслойным графеном под «магическим углом». Этот материал на основе графена создается, когда два листа ультратонких слоев углерода складываются и скручиваются под прямым углом, превращая новую двухслойную структуру в сверхпроводник, который позволяет электричеству течь без сопротивления или потери энергии. Только что обнаруженный в 2018 году, исследователи сосредоточились на материале из-за потенциала и загадочности, окружающих его.

«На многие основные вопросы, которые были заданы в 2018 году, еще предстоит ответить», — сказала Эрин Мориссетт, аспирант лаборатории Ли в Брауне, которая руководила работой.

Физики обычно используют ядерный магнитный резонанс или ЯМР для измерения спина электронов. Они делают это, возбуждая ядерные магнитные свойства в материале образца с помощью микроволнового излучения, а затем считывая различные сигнатуры, которые это излучение вызывает, для измерения спина.

Проблема с двумерными материалами заключается в том, что магнитная сигнатура электронов в ответ на микроволновое возбуждение слишком мала для обнаружения. Исследовательская группа решила импровизировать. Вместо непосредственного обнаружения намагниченности электронов они измерили тонкие изменения электронного сопротивления, которые были вызваны изменениями намагниченности под действием излучения, с помощью устройства, изготовленного в Институте молекулярных и наномасштабных инноваций в Брауне. Эти небольшие изменения в потоке электронных токов позволили исследователям использовать устройство для обнаружения того, что электроны поглощают фотографии из микроволнового излучения.

Исследователи смогли получить новую информацию из экспериментов. Команда заметила, например, что взаимодействия между фотонами и электронами заставляют электроны в определенных участках системы вести себя так, как если бы они вели себя в антиферромагнитной системе — это означает, что магнетизм некоторых атомов нейтрализуется набором магнитных атомов, которые выровнены в обратном направлении.

Новый метод изучения вращения в 2D-материалах и текущие результаты сегодня не применимы к технологиям, но исследовательская группа видит потенциальные приложения, к которым этот метод может привести в будущем. Они планируют продолжить применять свой метод к скрученному двухслойному графену, а также расширить его на другие 2D-материалы.

«Это действительно разнообразный набор инструментов, который мы можем использовать для доступа к важной части электронного порядка в этих сильно коррелированных системах и в целом для понимания того, как электроны могут вести себя в двумерных материалах», — сказал Мориссетт.

Ссылка: «Возрождение Дирака вызывает резонанс в скрученном двухслойном графене» Эрин Мориссетт, Цзян-Сязи Линь, Дихао Сунь, Лянцзи Чжан, Сун Лю, Даниэль Родс, Кенджи Ватанабэ, Такаши Танигути, Джеймс Хоун, Йоханнес Полланен, Матиас С. Шойрер, Майкл Лилли, Эндрю Маунс и Дж.И.А. Ли, 11 мая 2023 г., Физика природы.
DOI: 10.1038/s41567-023-02060-0

Эксперимент был проведен дистанционно в 2021 году в Центре интегрированных нанотехнологий в Нью-Мексико. Матиас С. Шойрер из Университета Инсбрука предоставил теоретическую поддержку для моделирования и понимания результата. Работа включала финансирование Национального научного фонда, Министерства обороны США и Управления науки Министерства энергетики США.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме