二维材料内首次探测到自旋结构

科技日报记者 刘霞

美国桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和奥地利因斯布鲁克大学的科学家在最新一期《自然·物理学》杂志上发表论文称，他们首次观测到了二维（2D）材料内的自旋结构。这一进展为直接研究电子在2D量子材料内的自旋特性奠定了基础，有望催生基于这些材料的计算和通信产品。

“魔角”石墨烯自旋结构艺术图

图片来源：物理学家组织网

电子自旋是一种赋予物质结构的基本行为，是量子现象中最重要的部分，但测量电子自旋的典型方式通常在2D材料中不起作用，因此科学家们从未真正在2D材料内探测到，也无法从理论上研究2D材料内的自旋。

在最新研究中，科研团队对名为“魔角”扭转双层石墨烯的2D材料进行了测量。这种石墨烯基材料由两片超薄碳层堆叠并扭转成直角时产生，新双层结构“变身”为超导体，使电能在没有阻力的情况下流动。

物理学家一般使用核磁共振来测量电子的自旋：使用微波辐射激发样本材料中的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。但2D材料面临的挑战是，微波激发使电子产生的磁性特征太小而无法检测。

研究团队此次没有直接检测电子的磁化强度，而是测量了电子电阻的细微变化，这些变化由辐射引起的磁化强度变化导致。这些电流的微小变化使研究人员能够检测电子是否吸收了微波辐射产生的光子。借助这一方法，他们首次观测到了自旋电子与微波辐射光子之间直接的相互作用。