새로운 실험 방법으로 연구원들은 처음으로 2D 재료의 스핀 구조를 조사합니 다.

20년 동안 물리학자들은 그래핀과 같은 2차원 물질에서 전자의 스핀을 직접 조작하려고 노력했습니다. 그렇게 하면 초고속의 작고 유연한 전자 장치가 양자 역학을 기반으로 계산을 수행하는 분야인 급성장하는 2D 전자 분야에서 주요 발전을 촉발할 수 있습니다.

방해가 되는 것은 과학자들이 전자의 스핀을 측정하는 일반적인 방법(물리적 우주의 모든 것에 구조를 부여하는 필수 동작)이 일반적으로 2D 재료에서는 작동하지 않는다는 것입니다. 이로 인해 재료를 완전히 이해하고 이를 기반으로 기술 발전을 추진하는 것이 매우 어렵습니다. 그러나 브라운 대학교 연구원들이 이끄는 과학자 팀은 이제 이 오랜 문제를 해결할 방법이 있다고 믿습니다. 그들은 에 발표된 새로운 연구에서 그들의 솔루션을 설명합니다. 자연 물리학.

이 연구에서 Sandia National Laboratories의 통합 나노기술 센터와 인스브루크 대학의 과학자들을 포함하는 팀은 2D 물질에서 회전하는 전자와 마이크로파 방사선에서 나오는 광자. 커플링이라고 하는 전자에 의한 마이크로파 광자의 흡수는 이러한 2차원 양자 물질에서 전자가 어떻게 회전하는지의 특성을 직접 연구하기 위한 새로운 실험 기술을 확립합니다. 연구원들에 따르면.

“스핀 구조는 양자 현상의 가장 중요한 부분이지만, 우리는 이러한 2D 재료에서 그것에 대한 직접적인 조사를 한 적이 없습니다.”라고 Brown의 물리학 조교수이자 연구의 수석 저자인 Jia Li는 말했습니다. “그 도전은 우리가 지난 20년 동안 이 매혹적인 물질에서 이론적으로 스핀을 연구하는 것을 막았습니다. 이제 우리는 이전에 연구할 수 없었던 많은 다른 시스템을 연구하기 위해 이 방법을 사용할 수 있습니다.”

연구원들은 “매직 앵글(magic-angle)” 꼬인 이중층 그래핀이라고 불리는 비교적 새로운 2D 재료에 대해 측정을 수행했습니다. 이 그래핀 기반 물질은 초박형 탄소층 두 장을 쌓고 직각으로 비틀어 새로운 이중층 구조를 저항이나 에너지 낭비 없이 전기가 흐를 수 있도록 하는 초전도체로 변환할 때 만들어집니다. 2018년에 막 발견된 연구원들은 이 물질을 둘러싼 잠재력과 미스터리 때문에 이 물질에 집중했습니다.

“2018년에 제기된 많은 주요 질문들이 아직 답을 얻지 못했습니다.” 작업을 이끈 Brown의 Li 연구실 대학원생 Erin Morissette가 말했습니다.

물리학자들은 일반적으로 전자의 스핀을 측정하기 위해 핵 자기 공명 또는 NMR을 사용합니다. 그들은 극초단파 방사선을 사용하여 시료 물질의 핵 자기 특성을 자극한 다음 이 방사선이 스핀을 측정하도록 유발하는 다양한 서명을 읽어 이를 수행합니다.

2D 재료의 문제점은 마이크로웨이브 여기(excitation)에 반응하는 전자의 자기 서명이 너무 작아 감지할 수 없다는 것입니다. 연구팀은 즉흥적으로 결정했습니다. 전자의 자화를 직접 감지하는 대신 브라운의 분자 및 나노규모 혁신 연구소에서 제작한 장치를 사용하여 방사선으로 인한 자화의 변화로 인해 발생하는 전자 저항의 미묘한 변화를 측정했습니다. 전자 전류 흐름의 이러한 작은 변화를 통해 연구원들은 전자가 마이크로파 방사선에서 사진을 흡수하고 있음을 감지하기 위해 장치를 사용할 수 있었습니다.

연구원들은 실험에서 새로운 정보를 관찰할 수 있었습니다. 예를 들어, 연구팀은 광자와 전자 사이의 상호 작용으로 인해 시스템의 특정 부분에서 전자가 반강자성 시스템에서와 같이 행동한다는 사실을 발견했습니다. 반대 방향으로 정렬됩니다.

2D 재료에서 스핀을 연구하는 새로운 방법과 현재 연구 결과는 오늘날 기술에 적용되지 않지만 연구팀은 이 방법이 미래에 이어질 수 있는 잠재적인 응용 프로그램을 보고 있습니다. 그들은 그들의 방법을 꼬인 이중층 그래핀에 계속 적용할 계획이지만 다른 2D 재료로 확장할 계획입니다.

Morissette는 “강하게 상관된 시스템에서 전자 주문의 중요한 부분에 액세스하고 일반적으로 전자가 2D 재료에서 어떻게 작동할 수 있는지 이해하는 데 사용할 수 있는 매우 다양한 도구 세트”라고 말했습니다.

실험은 2021년 뉴멕시코의 통합 나노기술 센터에서 원격으로 수행되었습니다. University of Innsbruck의 Mathias S. Scheurer는 결과를 모델링하고 이해하기 위한 이론적 지원을 제공했습니다. 이 작업에는 국립 과학 재단, 미국 국방부 및 미국 에너지부 과학실의 자금 지원이 포함되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230511164524.htm