确定二维材料交换能的新方法

二维半导体材料二硫化钼中充满了电子（红色球体）。 电子与电子之间的相互作用使所有电子（红色箭头）的自旋朝同一方向排列。 在铁磁态中翻转单个电子自旋所需的交换能可以通过两条特定光谱线之间的间隔来确定。 (图片：N： N. Leisgang，哈佛大学，原巴塞尔大学物理系/Scixel）

巴塞尔大学的研究人员研究了如何更好地理解二维半导体二硫化钼中电子的铁磁特性。 他们揭示了一种测量电子自旋翻转所需能量的令人惊讶的简单方法。

铁磁性是一种重要的物理现象，在许多技术中发挥着关键作用。 众所周知，铁、钴和镍等金属在室温下具有磁性，因为它们的电子自旋平行排列–只有在非常高的温度下，这些材料才会失去磁性。

巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所的理查德-沃伯顿（Richard Warburton）教授领导的研究人员发现，二硫化钼在某些条件下也具有铁磁性。 在低温和外部磁场的作用下，这种材料中的电子自旋都会指向同一个方向。

在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的最新研究中，研究人员确定了在这种铁磁性状态下翻转单个电子自旋所需的能量。 这项研究的主要作者纳丁-莱斯冈博士解释说：”这种’交换能’非常重要，因为它描述了铁磁性的稳定性。

侦查工作得出了一个简单的解决方案

“我们用激光激发了二硫化钼，并分析了它发出的光谱线，”该研究的主要作者 Nadine Leisgang 博士解释说。 鉴于每条光谱线都对应特定的波长和能量，研究人员能够通过测量特定光谱线之间的间隔来确定交换能量。 他们发现，在二硫化钼中，这种能量只比在铁中小 10 倍左右，这表明这种材料的铁磁性非常稳定。

沃伯顿说：”虽然解决方案看似简单，但要正确分配光谱线却需要大量的探测工作。

二维材料

二维材料因其量子力学效应产生的特殊物理特性，在材料研究领域发挥着重要作用。 它们还可以堆叠形成 “范德华异质结构”。

在本研究的例子中，二硫化钼层被六方氮化硼和石墨烯包围。 这些层通过微弱的范德华键结合在一起，因其独特的性质而在电子学和光电子学领域备受关注。 了解它们的电气和光学特性对于将其应用于未来技术至关重要。

原出版物

Nadine Leisgang, Dmitry Miserev, Hinrich Mattiat, Lukas Schneider, Lukas Sponfeldner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Martino Poggio and Richard J. Warburton

Exchange energy of the ferromagnetic electronic ground state in a monolayer semiconductor

Physical Review Letters (2024), doi: 10.1103/PhysRevLett.133.026501