开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密

开创性的实验方法揭开了二维材料中自旋结构的秘密研究人员发现了一种新的实验技术来研究二维量子材料中的电子自旋特性，克服了一个长期的挑战，并有可能使基于这些材料的先进计算和通信技术得到发展。资料来源：李佳/布朗大学阻碍科学家们测量电子自旋的典型方法--一种使物理宇宙中的一切具有结构的基本行为--通常在二维材料中不起作用。这使得充分了解这些材料并推动基于它们的技术进步变得异常困难。但是由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为他们现在有办法解决这一长期的挑战。他们在5月11日发表在《自然-物理》杂志上的一项新研究中描述了他们的解决方案。在这项研究中，该团队--其中还包括来自桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和因斯布鲁克大学的科学家--描述了他们认为是第一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互动的测量。据研究人员称，电子对微波光子的吸收被称为耦合，它建立了一种新的实验技术，用于直接研究电子在这些二维量子材料中如何旋转的特性--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，但我们从来没有真正在这些二维材料中直接探测过它，"布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李佳说。"这一挑战使我们在过去20年里无法从理论上研究这些迷人的材料中的自旋。我们现在可以用这种方法来研究很多以前无法研究的不同系统。"研究人员在一种相对较新的二维材料上进行了测量，这种材料被称为"魔角"扭曲双层石墨烯。这种基于石墨烯的材料是在两片超薄的碳层堆叠并扭曲到恰到好处的角度时产生的，将新的双层结构转化为一种超导体，使电力流动没有阻力或能量浪费。2018年刚刚发现，研究人员专注于这种材料，因为围绕它的潜力和神秘感。"2018年提出的很多重大问题仍未得到解答，"领导这项工作的布朗大学Li实验室的研究生ErinMorissette说。物理学家通常使用核磁共振或NMR来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样品材料的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。二维材料所面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。该研究小组决定随机应变。他们没有直接检测电子的磁化，而是使用布朗大学分子和纳米创新研究所制造的设备测量电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射的磁化变化引起的。电子电流流动的这些细微变化使研究人员能够使用该设备检测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该系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样--这意味着一些原子的磁性被一组以相反方向排列的磁性原子所抵消了。研究二维材料中自旋的新方法和目前的发现不会适用于今天的技术，但研究小组看到了该方法在未来可能导致的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他二维材料。Morissette说："这是一个真正多样化的工具集，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，并在总体上理解电子在二维材料中的行为。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360033.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360033.htm

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素

通向3D材料革命的大门：研究人员为石墨注入石墨烯元素华盛顿大学领导的研究小组发现，将石墨烯薄片以很小的扭曲角度堆叠在块状石墨上（上图），石墨烯-石墨界面（黄色）上的"奇异"特性就会渗入石墨本身。资料来源：埃利斯-汤普森多年来，科学家们一直在探索由单层原子组成的二维材料的潜力，以彻底改变计算、通信和能源等各个领域。在这些材料中，电子等亚原子粒子只能在二维空间运动，这导致了电子的异常行为和所谓的"奇异"特性。这些特性包括奇异的磁性、超导性和电子间的其他集体行为--所有这些都可能在计算、通信、能源和其他领域大有用武之地。传统上，研究人员认为这些奇异的二维特性只存在于单层薄片或短堆栈中，而这些材料的所谓"块体"版本则由于其复杂的三维原子结构而表现出不同的行为。与上述假设相反，华盛顿大学领导的研究小组于7月19日在《自然》杂志上发表的一项突破性研究表明，有可能赋予石墨这种日常铅笔中的大块三维材料以类似于其二维对应物石墨烯的特性。这一突破不仅出乎意料，研究小组还认为其方法可用于测试类似类型的块状材料是否也能具有类似二维的特性。如果是这样，二维薄片将不会是科学家们推动技术革命的唯一来源，块状三维材料可能同样有用。"将单层堆叠在单层上--或将两层堆叠在两层上--几年来一直是揭示二维材料新物理特性的重点。在这些实验方法中，出现了许多有趣的特性，"资深作者、华大物理学和材料科学与工程学助理教授马修-扬科维茨（MatthewYankowitz）说。"但是，如果不断增加层数会发生什么呢？最终，它必须停止，对吗？这就是直觉的暗示。但在这种情况下，直觉是错误的。在三维材料中混合二维特性是可能的。"由大阪大学和日本国立材料科学研究所的学者组成的研究小组采用了一种常用的方法来处理二维材料。他们以很小的扭曲角度将二维薄片堆叠在一起。研究人员将单层石墨烯置于薄的块状石墨晶体之上，并在两者之间引入了约1度的扭曲角。他们不仅在扭曲的界面上，而且在块状石墨内部发现了新颖的、意想不到的电学特性。Yankowitz同时也是华大清洁能源研究所和华大纳米工程系统研究所的教员，他解释说，扭曲角对于产生这些特性至关重要。二维薄片（如两片石墨烯）之间的扭曲角度会产生所谓的摩尔纹，从而改变电子等带电粒子的流动，诱导材料产生奇特的性质。在石墨和石墨烯的实验中，扭转角度也诱发了摩尔纹，产生了令人惊讶的结果。仅在石墨烯-石墨界面引入的扭曲改变了整个石墨材料的电特性。当施加磁场时，石墨晶体深处的电子表现出与扭曲界面类似的异常特性。从本质上讲，单个扭曲的石墨烯-石墨界面变得与块状石墨的其他部分密不可分地混合在一起。"虽然我们只是在石墨表面产生摩尔纹，但由此产生的特性却渗透到整个晶体中，"共同第一作者、华盛顿大学物理学博士后研究员达肯-沃特斯（DacenWaters）说。对于二维薄片来说，摩尔纹产生的特性可用于量子计算和其他应用。在三维材料中诱导类似的现象，将为研究不寻常和奇异的物质状态以及如何将它们带出实验室、带入我们的日常生活提供新的方法。共同第一作者、华盛顿大学物理学博士生埃利斯-汤普森（EllisThompson）说："整个晶体都呈现出这种二维状态。这是影响块体材料中电子行为的一种全新方式。"扬科维茨和他的团队认为，他们在石墨烯和块状石墨晶体之间产生扭转角的方法可以用来制造其姊妹材料的2D-3D混合体，包括二碲化钨和五碲化锆。这将开启一种新方法，利用单一二维界面重新设计传统块体材料的特性。Yankowitz说："这种方法可以成为研究具有混合二维和三维特性的材料中令人兴奋的新物理现象的一个真正丰富的乐园。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1371903.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1371903.htm

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量

研究人员实现“kagome”量子材料中电子自旋的首次测量科学家的国际合作取得了成功，物理和天文学系“AugustoRighi”教授DomenicoDiSante参与了博洛尼亚大学的居里夫人BITMAP研究项目。CNR-IOMTrieste、Ca'Foscari威尼斯大学、米兰大学、维尔茨堡大学（德国）、圣安德鲁斯大学（英国）、波士顿学院和加州大学圣巴巴拉分校（美国）的同事也加入了他的行列).通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，以及对物质行为进行建模的现代技术，学者们首次能够测量与拓扑概念相关的电子自旋。电子在其上移动的表面的三个视角。左边是实验结果，中间是理论模型，右边是理论模型。红色和蓝色代表电子速度的量度。理论和实验都反映了晶体的对称性，与日本传统“kagome”篮子的质地非常相似。图片来源：博洛尼亚大学“如果我们拿两个物体，例如足球和甜甜圈，我们会注意到它们的特定形状决定了不同的拓扑特性，例如，因为甜甜圈有洞，而足球没有，”DomenicoDiSante解释道。“同样，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些量子特性决定了它们在其中发现的物质中的旋转，类似于宇宙中光的轨迹如何被恒星、黑洞、黑暗的存在所改变物质和暗能量，它们可以弯曲时间和空间。”尽管电子的这一特性早已为人所知多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为实现这一目标，研究人员利用了一种称为“圆二色性”的特殊效应：一种只能与同步加速器源一起使用的特殊实验技术，它利用材料根据其偏振吸收不同光的能力。学者们特别关注“kagome材料”，这是一类量子材料，因其类似于构成日本传统篮子的交织竹线编织（实际上称为“kagome”）而得名。这些材料正在彻底改变量子物理学，所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑和超导特性。“由于实验实践和理论分析之间的强大协同作用，这些重要结果成为可能，”DiSante补充道。“该团队的理论研究人员采用了复杂的量子模拟，只有使用强大的超级计算机才有可能，并以这种方式将他们的实验同事引导到可以测量圆二色性效应的材料的特定区域。”...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1366003.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1366003.htm

超越石墨烯：二维材料的新世界正在开启

超越石墨烯：二维材料的新世界正在开启厚度只有几个原子的材料薄得惊人，具有独特的性能，因此在储能、催化和水净化方面具有吸引力。瑞典林雪平大学的研究人员现已开发出一种方法，可以合成数百种新型二维材料。他们的研究发表在《科学》杂志上。自石墨烯发现以来，极薄材料（即所谓的二维材料）的研究领域呈指数级增长。究其原因，二维材料相对于其体积或重量而言具有较大的表面积。这就产生了一系列物理现象和独特性能，如良好的导电性、高强度或耐热性，使得二维材料在基础研究和应用领域都备受关注。林雪平大学副教授约纳斯-比约克。图片来源：ThorBalkhed"在一层只有一毫米薄的薄膜中，可以有数百万层材料。"林雪平大学材料物理学教授约翰娜-罗森（JohannaRosén）说："层与层之间可以发生大量化学反应，因此二维材料可用于储能或生成燃料等。"最大的二维材料家族被称为MXenes。MXenes由一种称为MAX相的三维母材料生成。它由三种不同的元素组成：M是过渡金属，A是（A族）元素，X是碳或氮。通过酸性物质去除A元素（剥离），就形成了二维材料。到目前为止，MXenes是唯一以这种方式制造出来的材料系列。林雪平的研究人员提出了一种理论方法，用于预测可能适合转化为二维材料的其他三维材料。他们还证明了该理论模型与现实是一致的。周杰，林雪平大学助理教授。图片来源：OlovPlanthaber研究人员采用了三步法。第一步，他们开发了一个理论模型来预测哪些母体材料适用。利用国家超级计算机中心的大规模计算，研究人员从一个数据库和66,643种材料中筛选出119种有前途的3D材料。下一步是尝试在实验室中制造这种材料。"在119种可能的材料中，我们研究了哪些材料具有所需的化学稳定性，哪些材料是最佳候选材料。首先，我们必须合成三维材料，这本身就是一项挑战。最后，我们得到了一个高质量的样品，可以使用氢氟酸剥离和蚀刻掉特定的原子层，"物理、化学和生物系助理教授周杰说。研究人员从母体材料YRu2Si2中去除钇（Y），从而形成了二维Ru2SixOy。JohannaRosén，林雪平大学材料物理学教授。图片来源：OlovPlanthaber但要在实验室中确认成功，还必须进行验证，这就是第三步。研究人员使用了林雪平大学的扫描透射电子显微镜Arwen。它可以检查材料及其原子级结构。这种显微镜中还可以利用光谱学研究材料是由哪些原子组成的。"我们能够确认我们的理论模型运行良好，所产生的材料由正确的原子组成。剥离后，材料的图像就像一本书的书页。"材料设计部副教授乔纳斯-比约克（JonasBjörk）说："理论能够付诸实践，从而将化学剥离的概念扩展到更多的材料家族，而不仅仅是MXenes。"研究人员的发现意味着更多具有独特性能的二维材料指日可待。这些材料反过来又能为大量技术应用奠定基础。下一步，研究人员将探索更多潜在的前驱体材料，并扩大实验规模。JohannaRosén相信，未来的应用几乎是无穷无尽的。"总的来说，二维材料在大量应用中显示出巨大的潜力。例如，可以想象捕获二氧化碳或净化水。"JohannaRosén说："现在要做的是扩大合成规模，并以可持续的方式进行合成。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1429019.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1429019.htm

研究人员首次提出Hopfions三维磁性自旋结构的实验证据

研究人员首次提出Hopfions三维磁性自旋结构的实验证据环中的磁自旋方向。资料来源：PhilippRybakov瑞典乌普萨拉大学物理和天文学系研究员菲利普-雷巴科夫（PhilippRybakov）说："我们的研究成果无论从基础角度还是应用角度来看都非常重要，因为在实验物理学和抽象数学理论之间架起了一座新的桥梁，有可能让hopfions在自旋电子学中得到应用。"深入了解材料不同成分的功能对于开发创新材料和未来技术非常重要。例如，研究电子自旋的自旋电子学（spintronics）研究领域为将电子的电性和磁性结合起来应用于新型电子学等领域开辟了广阔的前景。实验图像（快照显示了在两个不同的外加磁场值下，180nm厚的铁锗板中的霍普菲亚环的过聚焦洛伦兹透射电子显微镜图像）。图片来源：FengshanZheng/ForschungszentrumJülichMagneticskyrmions和hopfions是一种拓扑结构--具有良好定位的场构型，在过去十年中一直是热门的研究课题，因为它们具有类似粒子的独特性质，这使它们成为自旋电子应用的前景广阔的对象。Skyrmions是二维的，类似于旋涡状的弦，而hopfions则是磁性样品体积内的三维结构，在最简单的情况下类似于甜甜圈形状的封闭扭曲的Skyrmion弦。尽管近年来进行了大量研究，但对磁性霍普菲斯的直接观察仅在合成材料中有所报道。目前的这项工作是利用透射电子显微镜和全息技术在B20型铁锗板晶体中稳定这种状态的首个实验证据。实验结果具有高度的可重复性，并且与微磁模拟完全一致。研究人员提供了一种统一的skyrmion-hopfion同调分类，并深入揭示了三维手性磁体中拓扑孤子的多样性。PhilippRybakov博士，瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系材料理论博士后研究员，通讯作者。图片来源：EkaterinaDedyukhina这些发现为实验物理学开辟了新的领域：确定hopfions稳定的其他晶体、研究hopfions如何与电流和自旋电流相互作用、hopfion动力学等。"由于这个物体是新的，其许多有趣的特性仍有待发现，因此很难对具体的自旋电子应用做出预测。不过，我们可以推测，当几乎所有正在开发的磁性天车技术升级到第三维度时，hopfions可能是最令人感兴趣的，应用领域有：磁畴壁内存、神经形态计算和量子比特（量子信息的基本单位）。"雷巴科夫解释说："与skyrmions相比，hopfions因其三维性而具有额外的自由度，因此可以在三维而非二维空间中运动。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399099.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399099.htm

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波

研究人员成功实现利用超导体掌握芯片上的自旋波这些磁体中的微小自旋波可能在未来成为电子器件的替代品，对节能信息技术或量子计算机中的连接部件等很有意义。这一突破发表在《科学》杂志上，主要让物理学家对磁体和超导体之间的相互作用有了新的认识。"自旋波是磁性材料中的波，我们可以利用它来传输信息，"领导这项实验的迈克尔-博斯特解释说。"由于自旋波可以成为替代电子产品的高能效构件，科学家们多年来一直在寻找控制和操纵自旋波的有效方法"。""早有预言金属电极可以控制自旋波，但直到现在，物理学家几乎还没有在实验中看到这种效果。"量子纳米科学系副教授ToenovanderSar说："我们研究团队的突破在于，我们证明了如果使用超导电极，确实可以正确控制自旋波。"其工作原理如下：自旋波产生磁场，磁场又在超导体中产生超电流。超电流就像自旋波的一面镜子：超导电极将磁场反射回自旋波。超导镜面使自旋波上下移动的速度更慢，从而使自旋波易于控制。当自旋波经过超导电极时，它们的波长会完全改变，只要稍微改变电极的温度，我们就能非常精确地调节变化的幅度。实验插图。图中显示了薄磁层上的两个金电极。中间是一个超导电极。研究人员用左边的金电极在磁性材料中产生自旋波，自旋波向右边传播。电极顶部是一个方形钻石膜，研究人员可以通过它看到超导电极。资料来源：代尔夫特理工大学MichaelBorst"我们首先铺设了一层薄薄的钇铁石榴石（YIG）磁层，它被称为地球上最好的磁铁。我们在上面铺设了一个超导电极和另一个电极来诱导自旋波。通过冷却到零下268度，我们让电极进入了超导状态，"范德萨说。"令人惊奇的是，自旋波随着温度的降低变得越来越慢。这让我们有了操纵自旋波的独特方法；我们可以让自旋波偏转、反射、共振等等。但这也让我们对超导体的特性有了新的认识。"研究人员钻石中的电子作为自旋波磁场的传感器，对自旋波进行成像，这对实验至关重要。它最酷的地方在于可以透过不透明的超导体观察下面的自旋波，就像核磁共振扫描仪可以透过皮肤观察人的身体一样。""自旋波技术仍处于起步阶段，"博斯特说。"例如，要利用这种技术制造高能效计算机，我们首先必须开始构建小型电路来执行计算。我们的发现打开了一扇门：超导电极可以实现无数新的高能效自旋波电路"。范德萨补充说："我们现在可以设计基于自旋波和超导体的设备，这些设备产生的热量和声波都很少。想想自旋电子学版的频率滤波器或谐振器吧，这些元件可以在手机的电子电路中找到。或者可以作为量子计算机中量子位之间的晶体管或连接器的电路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393793.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393793.htm