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。这样做可能会在新兴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，他们现在有办法解决这一长期存在的挑战。他们在NaturePhysics上发表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(还包括桑迪亚国家实验室综合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进入的光子之间直接相互作用的测量结果来自微波辐射。

称为耦合，电子对微波光子的吸收建立了一种新的实验技术，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，根据给研究人员。

“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JiaLi说。“在过去的二十年里，这一挑战使我们无法从理论上研究这些迷人材料的自旋。我们现在可以使用这种方法来研究我们以前无法研究的许多不同系统。”

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，使电流无阻力或能量浪费地流动。2018年刚刚发现，研究人员将重点放在这种材料上，因为它具有潜力和神秘性。

“2018年提出的许多主要问题仍有待解答，”领导这项工作的布朗大学李实验室的研究生ErinMorissette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来做到这一点。

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。研究小组决定即兴发挥。他们没有直接检测电子的磁化，而是测量了电子电阻的细微变化，这是由使用布朗分子和纳米创新研究所制造的设备从辐射引起的磁化变化引起的。

电流流动的这些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磁性原子抵消了反方向对齐。

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，但也将其扩展到其他二维材料。

“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，并且通常可以了解电子在二维材料中的行为方式，”Morissette说。

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标签：材料电子研究