过去二十年来，物理学家一直在尝试直接影响石墨烯等二维材料中电子的自旋。成功实现这一目标将推动快速发展的二维电子学领域取得重大进展，在这一领域，超高速、小型和灵活的电子设备可根据量子力学进行计算。
然而，一个主要的障碍是科学家们用来测量电子自旋的标准方法–一种赋予宇宙万物结构的基本行为–通常在二维材料中不起作用。
这使得全面了解这种材料并在此基础上推动技术进步变得异常困难。但布朗大学研究人员领导的科学家团队相信，他们现在有办法解决这一长期存在的难题。他们在发表于《自然-物理》（Nature Physics）的一项新研究中描述了他们的解决方案。
在这项研究中，该研究小组–其中还包括来自桑迪亚国家实验室集成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首次显示二维材料中旋转的电子与来自微波辐射的光子之间直接相互作用的测量结果。研究人员称，电子吸收微波光子被称为耦合，它为直接研究二维量子材料中电子如何自旋的特性提供了一种新的实验技术–这种技术可以作为开发基于这些材料的计算和通信技术的基础。
“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、该研究的资深作者李嘉说。布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说：”过去二十年来，这一挑战阻碍了我们从理论上研究这些迷人材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究许多我们以前无法研究的不同系统。”
研究人员在一种名为”魔角”扭曲双层石墨烯的相对较新的二维材料上进行了测量。这种基于石墨烯的材料是由两片超薄的碳层堆叠而成，并以恰到好处的角度扭曲，从而将新的双层结构转化为超导体，使电流流动时没有阻力或能量浪费。这种材料在2018年刚刚被发现，研究人员之所以关注它，是因为它的潜力和神秘性。
“2018年提出的许多重大问题仍有待解答，”布朗大学李的实验室里领导这项工作的研究生艾琳-莫里塞特（Erin Morissette）说。
物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子自旋。他们使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取辐射引起的不同信号来测量自旋。
二维材料所面临的挑战是，电子在微波激励下产生的磁信号太小，无法检测。研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是利用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量了电子电阻的微妙变化，这些变化是由辐射引起的磁化变化造成的。电子电流流的这些微小变化使研究人员能够利用该装置检测到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的信息。例如，研究小组注意到，光子和电子之间的相互作用使得系统某些部分的电子表现出反铁磁系统的行为–这意味着一些原子的磁性被一组反方向排列的磁性原子抵消了。
这种研究二维材料自旋的新方法和目前的发现并不适用于当今的技术，但研究小组看到了这种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双层石墨烯，并将其扩展到其他二维材料。
莫里塞特说：”这是一个非常多样化的工具集，我们可以用它来获取这些强相关系统中电子秩序的一个重要部分，并从总体上理解电子在二维材料中的行为方式。”
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