Seit zwei Jahrzehnten versuchen Physiker, den Spin von Elektronen in 2D-Materialien wie Graphen direkt zu manipulieren. Dies könnte wichtige Fortschritte in der aufstrebenden Welt der 2D-Elektronik auslösen, einem Bereich, in dem superschnelle, kleine und flexible elektronische Geräte Berechnungen auf der Grundlage der Quantenmechanik durchführen.
Dem steht im Wege, dass die typische Methode, mit der Wissenschaftler den Spin von Elektronen messen – ein wesentliches Verhalten, das allem im physikalischen Universum seine Struktur verleiht – bei zweidimensionalen Materialien normalerweise nicht funktioniert. Dies macht es unglaublich schwierig, die Materialien vollständig zu verstehen und darauf basierende technologische Fortschritte voranzutreiben. Aber ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Forschern der Brown University glaubt, dass sie nun einen Weg haben, diese seit langem bestehende Herausforderung zu bewältigen. Sie beschreiben ihre Lösung in einer neuen Studie, die in veröffentlicht wurde Naturphysik.
In der Studie beschreibt das Team – dem auch Wissenschaftler des Center for Integrated Nanotechnologies der Sandia National Laboratories und der Universität Innsbruck angehören – die ihrer Meinung nach erste Messung, die eine direkte Wechselwirkung zwischen sich drehenden Elektronen in einem 2D-Material und kommenden Photonen zeigt durch Mikrowellenstrahlung.
Die als Kopplung bezeichnete Absorption von Mikrowellenphotonen durch Elektronen stellt eine neuartige experimentelle Technik zur direkten Untersuchung der Eigenschaften dar, wie sich Elektronen in diesen 2D-Quantenmaterialien drehen – eine, die als Grundlage für die Entwicklung von Computer- und Kommunikationstechnologien auf der Grundlage dieser Materialien dienen könnte, heißt es an die Forscher.
„Die Spinstruktur ist der wichtigste Teil eines Quantenphänomens, aber wir hatten in diesen 2D-Materialien nie wirklich eine direkte Sonde dafür“, sagte Jia Li, Assistenzprofessor für Physik an der Brown University und leitender Autor der Forschung. „Diese Herausforderung hat uns in den letzten zwei Jahrzehnten daran gehindert, Spin in diesem faszinierenden Material theoretisch zu untersuchen. Mit dieser Methode können wir jetzt viele verschiedene Systeme untersuchen, die wir vorher nicht untersuchen konnten.“
Die Forscher führten die Messungen an einem relativ neuen 2D-Material namens „Magic-Angle“ Twisted Bilayer Graphen durch. Dieses auf Graphen basierende Material entsteht, wenn zwei Lagen ultradünner Kohlenstoffschichten gestapelt und im richtigen Winkel verdreht werden, wodurch die neue doppelschichtige Struktur in einen Supraleiter umgewandelt wird, der den Stromfluss ohne Widerstand oder Energieverschwendung ermöglicht. Erst 2018 entdeckt, konzentrierten sich die Forscher auf das Material wegen des Potenzials und des Mysteriums, das es umgibt.
„Viele der wichtigsten Fragen, die 2018 gestellt wurden, müssen noch beantwortet werden“, sagte Erin Morissette, eine Doktorandin in Lis Labor am Brown University College, die die Arbeit leitete.
Um den Spin von Elektronen zu messen, verwenden Physiker üblicherweise die Kernspinresonanz oder NMR. Sie tun dies, indem sie die kernmagnetischen Eigenschaften in einem Probenmaterial mithilfe von Mikrowellenstrahlung anregen und dann die verschiedenen Signaturen, die diese Strahlung verursacht, auslesen, um den Spin zu messen.
Die Herausforderung bei 2D-Materialien besteht darin, dass die magnetische Signatur der Elektronen als Reaktion auf die Mikrowellenanregung zu klein ist, um erfasst zu werden. Das Forschungsteam beschloss, zu improvisieren. Anstatt die Magnetisierung der Elektronen direkt zu erfassen, maßen sie mithilfe eines am Institute for Molecular and Nanoscale Innovation in Brown hergestellten Geräts subtile Änderungen des elektronischen Widerstands, die durch die Änderungen der Magnetisierung durch die Strahlung verursacht wurden.
Diese kleinen Schwankungen im Fluss der elektronischen Ströme ermöglichten es den Forschern, mit dem Gerät zu erkennen, dass die Elektronen die Fotos der Mikrowellenstrahlung absorbierten.
Die Forscher konnten aus den Experimenten neue Informationen gewinnen. Das Team stellte beispielsweise fest, dass Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen dazu führten, dass sich Elektronen in bestimmten Abschnitten des Systems wie in einem antiferromagnetischen System verhielten – was bedeutet, dass der Magnetismus einiger Atome durch eine Reihe magnetischer Atome aufgehoben wurde in umgekehrter Richtung ausgerichtet.
Die neue Methode zur Untersuchung des Spins in 2D-Materialien und die aktuellen Erkenntnisse werden heute nicht auf die Technologie anwendbar sein, aber das Forschungsteam sieht mögliche Anwendungen, zu denen die Methode in der Zukunft führen könnte. Sie planen, ihre Methode weiterhin auf verdrilltes Doppelschicht-Graphen anzuwenden, sie aber auch auf andere 2D-Materialien auszuweiten.
„Es ist ein wirklich vielfältiges Toolset, mit dem wir auf einen wichtigen Teil der elektronischen Ordnung in diesen stark korrelierten Systemen zugreifen und ganz allgemein verstehen können, wie sich Elektronen in 2D-Materialien verhalten können“, sagte Morissette.
Mehr Informationen:
Andrew Mounce, Dirac-Revivals lösen eine Resonanzreaktion in verdrehtem Doppelschicht-Graphen aus, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02060-0. www.nature.com/articles/s41567-023-02060-0