Araştırmacılar, 2B kuantum malzemelerdeki elektron spin özelliklerini incelemek için yeni bir deneysel teknik keşfettiler. Kredi: Jia Li/Brown Üniversitesi
Brown Üniversitesi araştırmacıları tarafından yönetilen bir bilim insanı ekibi, “sihirli açı” grafenin spin yapısını gözlemleyerek uzun süredir devam eden bir barikata geçici bir çözüm buldu. iki boyutlu elektronik alanında.
Fizikçiler, 2B elektronikteki ilerlemelerin kilidini açabilecek grafen gibi 2B malzemelerdeki elektron dönüşünü doğrudan manipüle etmek için yirmi yıldır uğraşıyorlar. Elektron spini için standart ölçüm tekniği tipik olarak 2B malzemelerde başarısız olur ve teknolojik ilerlemeyi engeller. Ancak Brown Üniversitesi araştırmacıları liderliğindeki bir ekip, Nature Physics’te bildirildiği üzere bir çözüm buldu. Çalışma, 2 boyutlu bir malzemede dönen elektronlar ile mikrodalga radyasyon fotonları arasındaki ilk doğrudan etkileşimi göstererek, 2 boyutlu kuantum malzemelerde elektron dönüş özelliklerini incelemek için yeni bir deneysel teknik oluşturuyor. Bu teknik, 2B malzemelere dayalı hesaplama ve iletişim teknolojilerinin yolunu açabilir.
Yirmi yıldır fizikçiler, grafen gibi 2B malzemelerde elektronların dönüşünü doğrudan manipüle etmeye çalıştılar. Bunu yapmak, süper hızlı, küçük ve esnek elektronik cihazların kuantum mekaniğine dayalı hesaplamalar yaptığı bir alan olan, gelişmekte olan 2D elektronik dünyasında önemli ilerlemeler sağlayabilir.
Buna engel olmak, Bilim adamlarının elektronların dönüşünü ölçtüğü – fiziksel evrendeki her şeye yapısını veren temel bir davranış – genellikle 2B malzemelerde çalışmaz. Bu, malzemeleri tam olarak anlamayı ve bunlara dayalı teknolojik ilerlemeleri ilerletmeyi inanılmaz derecede zorlaştırıyor. Ancak Brown Üniversitesi araştırmacıları tarafından yönetilen bir bilim insanı ekibi, artık bu uzun süredir devam eden zorluğu aşmanın bir yolunu bulduklarına inanıyor. Çözümlerini Nature Physics dergisinde 11 Mayıs’ta yayınlanan yeni bir çalışmada açıklıyorlar.
Araştırmada, Sandia Ulusal Laboratuvarları’ndaki Entegre Nanoteknolojiler Merkezi’nden bilim adamlarının da yer aldığı ekip ve Innsbruck – 2 boyutlu bir malzemede dönen elektronlar ile mikrodalga radyasyonundan gelen fotonlar arasındaki doğrudan etkileşimi gösteren ilk ölçüm olduğuna inandıkları şeyi tanımlayın. Eşleşme olarak adlandırılan, mikrodalga fotonların elektronlar tarafından soğurulması, elektronların bu 2 boyutlu kuantum malzemelerde nasıl döndüklerinin özelliklerini doğrudan incelemek için yeni bir deneysel teknik oluşturuyor. araştırmacılara.
“Spin yapısı, bir kuantum fenomeninin en önemli parçasıdır, ancak bu 2B malzemelerde bunun için hiçbir zaman gerçekten doğrudan bir araştırmamız olmadı,” dedi fizik profesörü yardımcısı Jia Li. Brown’da ve araştırmanın kıdemli yazarı. “Bu zorluk, son yirmi yıldır bu büyüleyici materyallerde dönüşü teorik olarak incelememizi engelledi. Artık daha önce inceleyemediğimiz birçok farklı sistemi incelemek için bu yöntemi kullanabiliriz.”
Araştırmacılar, “sihirli açı” bükülmüş çift katmanlı grafen adı verilen nispeten yeni bir 2B malzeme üzerinde ölçümler yaptılar. Bu grafen bazlı malzeme, iki ultra ince karbon tabakası istiflendiğinde ve tam doğru açıda büküldüğünde yaratılır ve yeni çift katmanlı yapı, elektriğin direnç veya enerji israfı olmadan akmasına izin veren bir süper iletkene dönüşür. 2018’de yeni keşfedilen araştırmacılar, onu çevreleyen potansiyel ve gizem nedeniyle malzemeye odaklandı.
“2018’de ortaya çıkan önemli soruların çoğu hâlâ yanıtlanmadı,” dedi Erin Morissette, Li’nin Brown’daki laboratuvarında çalışmaya öncülük eden bir yüksek lisans öğrencisi.
Fizikçiler, elektronların dönüşünü ölçmek için genellikle nükleer manyetik rezonans veya NMR kullanırlar. Bunu, mikrodalga radyasyon kullanarak örnek bir malzemedeki nükleer manyetik özellikleri harekete geçirerek ve ardından bu radyasyonun spini ölçmek için neden olduğu farklı imzaları okuyarak yaparlar.
2B malzemelerle ilgili zorluk, elektronların manyetik imzasının tepki olarak mikrodalga uyarımı tespit edilemeyecek kadar küçüktür. Araştırma ekibi doğaçlama yapmaya karar verdi. Elektronların manyetizasyonunu doğrudan tespit etmek yerine, Brown’daki Molecular and Nanoscale Innovation Enstitüsünde üretilen bir cihaz kullanarak radyasyondan kaynaklanan manyetizasyondaki değişikliklerin neden olduğu elektronik dirençteki ince değişiklikleri ölçtüler. Elektronik akımların akışındaki bu küçük varyasyonlar, araştırmacıların cihazı kullanarak elektronların mikrodalga radyasyondan gelen fotoğrafları emdiğini saptamasına olanak sağladı.
Araştırmacılar, deneylerden elde edilen yeni bilgileri gözlemleyebildiler. Ekip, örneğin, fotonlar ve elektronlar arasındaki etkileşimlerin, sistemin belirli bölümlerindeki elektronların anti-ferromanyetik bir sistemde olduğu gibi davranmasına neden olduğunu fark etti; bu, bazı atomların manyetizmasının, bir dizi manyetik atom tarafından iptal edildiği anlamına gelir. ters yönde hizalanmıştır.
2B malzemelerde spini incelemeye yönelik yeni yöntem ve mevcut bulgular bugünün teknolojisi için geçerli olmayacak, ancak araştırma ekibi, yöntemin gelecekte yol açabileceği potansiyel uygulamaları görüyor. Yöntemlerini bükülmüş iki katmanlı grafiğe uygulamaya devam etmeyi ve aynı zamanda diğer 2B malzemeleri de kapsayacak şekilde genişletmeyi planlıyorlar.
“Bu güçlü bir şekilde birbiriyle ilişkili olan elektronik düzenin önemli bir bölümüne erişmek için kullanabileceğimiz gerçekten çok çeşitli bir araç seti. sistemleri ve genel olarak elektronların 2B malzemelerde nasıl davranabileceğini anlamak için,” dedi Morissette.
Referans: “Dirac canlanmaları, bükülmüş çift katmanlı grafende bir rezonans tepkisini yönlendirir” yazan 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 ve J. I. A. Li, 11 Mayıs 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02060-0
Deney, 2021’de New Mexico’daki Entegre Nanoteknolojiler Merkezi’nde uzaktan gerçekleştirildi. Innsbruck Üniversitesi’nden Mathias S. Scheurer, modelleme ve sonucun anlaşılması için teorik destek sağladı. Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, ABD Savunma Bakanlığı ve ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi’nin sağladığı finansmanı içeriyordu.