Met een nieuwe experimentele methode onderzoeken onderzoekers voor het eerst de spinstructuur in 2D-materialen

Twee decennia lang hebben natuurkundigen geprobeerd de spin van elektronen in 2D-materialen zoals grafeen direct te manipuleren. Dit kan leiden tot belangrijke vorderingen in de snelgroeiende wereld van 2D-elektronica, een gebied waar supersnelle, kleine en flexibele elektronische apparaten berekeningen uitvoeren op basis van kwantummechanica.

Wat in de weg staat, is dat de typische manier waarop wetenschappers de spin van elektronen meten – een essentieel gedrag dat alles in het fysieke universum zijn structuur geeft – meestal niet werkt in 2D-materialen. Dit maakt het ongelooflijk moeilijk om de materialen volledig te begrijpen en op basis daarvan technologische vooruitgang voort te stuwen. Maar een team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de Brown University denkt dat ze nu een manier hebben gevonden om deze langdurige uitdaging aan te pakken. Ze beschrijven hun oplossing in een nieuwe studie gepubliceerd in natuur fysica.

In de studie beschrijven het team – waaronder ook wetenschappers van het Center for Integrated Nanotechnologies van Sandia National Laboratories en de Universiteit van Innsbruck – wat volgens hen de eerste meting is die directe interactie laat zien tussen elektronen die ronddraaien in een 2D-materiaal en fotonen die komen van microgolfstraling.

De absorptie van microgolffotonen door elektronen, een koppeling genoemd, vormt een nieuwe experimentele techniek voor het direct bestuderen van de eigenschappen van hoe elektronen in deze 2D-kwantummaterialen draaien – een techniek die zou kunnen dienen als basis voor het ontwikkelen van computationele en communicatietechnologieën op basis van die materialen, volgens aan de onderzoekers.

“Spinstructuur is het belangrijkste onderdeel van een kwantumfenomeen, maar we hebben er nooit echt een directe sonde voor gehad in deze 2D-materialen”, zegt Jia Li, assistent-professor natuurkunde bij Brown en senior auteur van het onderzoek. “Die uitdaging heeft ons de afgelopen twee decennia verhinderd om spin in dit fascinerende materiaal theoretisch te bestuderen. We kunnen deze methode nu gebruiken om veel verschillende systemen te bestuderen die we voorheen niet konden bestuderen.”

De onderzoekers voerden de metingen uit op een relatief nieuw 2D-materiaal genaamd “magic-angle” gedraaid dubbellaags grafeen. Dit op grafeen gebaseerde materiaal ontstaat wanneer twee vellen ultradunne lagen koolstof worden gestapeld en in precies de juiste hoek worden gedraaid, waardoor de nieuwe dubbellaagse structuur wordt omgezet in een supergeleider die elektriciteit laat stromen zonder weerstand of energieverspilling. Net ontdekt in 2018, concentreerden de onderzoekers zich op het materiaal vanwege het potentieel en het mysterie eromheen.

“Veel van de belangrijkste vragen die in 2018 werden gesteld, moeten nog worden beantwoord”, zegt Erin Morissette, een afgestudeerde student in Li’s lab in Brown die het werk leidde.

Natuurkundigen gebruiken meestal nucleaire magnetische resonantie of NMR om de spin van elektronen te meten. Ze doen dit door de nucleaire magnetische eigenschappen in een monstermateriaal op te wekken met behulp van microgolfstraling en vervolgens de verschillende handtekeningen te lezen die deze straling veroorzaakt om de spin te meten.

De uitdaging met 2D-materialen is dat de magnetische handtekening van elektronen als reactie op de microgolfexcitatie te klein is om te detecteren. Het onderzoeksteam besloot te improviseren. In plaats van de magnetisatie van de elektronen direct te detecteren, maten ze subtiele veranderingen in elektronische weerstand, die werden veroorzaakt door de veranderingen in magnetisatie van de straling, met behulp van een apparaat dat was vervaardigd door het Institute for Molecular and Nanoscale Innovation in Brown.

Door deze kleine variaties in de stroom van de elektronische stromen konden de onderzoekers het apparaat gebruiken om te detecteren dat de elektronen de foto’s van de microgolfstraling absorbeerden.

De onderzoekers waren in staat om nieuwe informatie uit de experimenten waar te nemen. Het team merkte bijvoorbeeld op dat interacties tussen de fotonen en elektronen ervoor zorgden dat elektronen zich in bepaalde delen van het systeem gedroegen zoals ze zouden doen in een anti-ferromagnetisch systeem – wat betekent dat het magnetisme van sommige atomen werd opgeheven door een reeks magnetische atomen uitgelijnd in omgekeerde richting.

De nieuwe methode voor het bestuderen van spin in 2D-materialen en de huidige bevindingen zullen vandaag niet van toepassing zijn op technologie, maar het onderzoeksteam ziet mogelijke toepassingen waartoe de methode in de toekomst zou kunnen leiden. Ze zijn van plan hun methode te blijven toepassen op gedraaid dubbellaags grafeen, maar ook uit te breiden naar ander 2D-materiaal.

“Het is een heel diverse toolset die we kunnen gebruiken om toegang te krijgen tot een belangrijk deel van de elektronische orde in deze sterk gecorreleerde systemen en in het algemeen om te begrijpen hoe elektronen zich kunnen gedragen in 2D-materialen”, zei Morissette.