一支由布朗大学的研究人员带领的科学家团队，在“魔角”石墨烯中研究自旋结构的基础上，发现了二维电子学领域的一种长期障碍的解决方案。

过去的二十年里，物理学家一直试图直接影响石墨烯等二维材料中的电子自旋。成功实现这一目标可能会在迅速发展的二维电子学领域中带来重大进展，该领域的超快速、小型和灵活电子设备基于量子力学进行计算。

然而，一个主要障碍是科学家通常用来测量电子自旋的标准方法——一种赋予物理世界中一切事物结构的关键行为——在二维材料中通常不起作用。

这使得全面理解这些材料并推动基于它们的技术进步变得非常困难。但是，布朗大学的研究人员领导的科学家团队认为他们现在已经找到了绕过这个长期挑战的方法。他们在《自然物理学》杂志上发表的一项新研究中描述了他们的解决方案。

在该研究中，研究团队——还包括美国圣迭哥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们——描述了他们认为是首次在二维材料中观察到电子自旋与来自微波辐射的光子直接相互作用的测量结果。被称为耦合的微波光子被电子吸收，建立了一种新颖的实验技术，直接研究了这些二维量子材料中电子自旋的性质。研究人员表示，这种方法可以为基于这些材料开发计算和通信技术奠定基础。

“自旋结构是量子现象中最重要的部分，但在这些二维材料中，我们从来没有真正的直接探针。”研究的高级作者、布朗大学物理学助理教授李佳说道。“这个挑战阻碍了我们在过去二十年里对这些有趣材料中的自旋进行理论研究。现在我们可以使用这种方法来研究以前无法研究的许多不同系统。”

研究人员在相对较新的“魔角”旋转双层石墨烯上进行了测量。这种基于石墨烯的材料是通过将两层超薄碳层叠在一起，并以恰到好处的角度扭曲而制成的，将新的双层结构转变为超导体，使电流能够无阻力地流动而无能量浪费。由于其潜力和神秘性，研究人员选择了这种材料进行研究。

通常，物理学家使用核磁共振或核磁共振成像来测量电子的自旋。他们通过利用微波辐射激发样品材料中的核磁性质，然后读取该辐射引起的不同特征来测量自旋。

二维材料的挑战在于，电子对微波激发的磁性响应的磁性特征太小，无法检测。研究团队决定做出改进。他们没有直接检测电子的磁化，而是通过测量由辐射引起的磁化变化导致的电子阻力的微小变化来进行测量。这些电流流动的微小变化使得研究人员能够利用该装置检测到电子吸收来自微波辐射的光子。

研究人员能够从实验中观察到新颖的信息。例如，该团队注意到，光子和电子之间的相互作用使得系统中某些区域的电子表现出类似反铁磁体系的行为——这意味着一些原子的磁性被一组反向排列的磁性原子取消了。

这种新方法用于研究二维材料的自旋以及目前的研究结果在现今技术中并不适用，但研究团队认为这种方法在未来可能会产生潜在的应用。他们计划继续将该方法应用于扭曲双层石墨烯，并将其扩展到其他二维材料。

“这是一个非常多样化的工具集，我们可以用它来了解这些强关联系统中的电子顺序的重要部分，并且可以从整体上理解电子在二维材料中的行为。”李佳说道。

该实验于2021年在新墨西哥州的综合纳米技术中心进行了远程实施。因斯布鲁克大学的马蒂亚斯·S·斯奎勒为模拟和理解实验结果提供了理论支持。该工作得到了美国国家科学基金会、美国国防部和美国能源部科学办公室的资助。