Спін електрона - це фундаментальна властивість матерії, яка визначає, як атоми і молекули взаємодіють один з одним і з зовнішніми полями.
Спін електрона також можна використовувати для зберігання та обробки інформації у квантових пристроях, наприклад, у квантових комп'ютерах та сенсорах. Однак вимірювання та маніпулювання спіном у двовимірних (2D) матеріалах, на кшалт графену та його похідних, залишається серйозним викликом для фізиків.
2D-матеріали - атомарно тонкі шари речовини, здатні демонструвати нові фізичні та хімічні властивості завдяки своїй зменшеній розмірності та великому співвідношенню поверхні до об'єму. 2D-матеріали викликають величезний інтерес через їхнє потенційне застосування в наноелектроніці, оптоелектроніці, накопичувачах енергії, каталізі та біомедицині.
В той же час стандартна методика вивчення спіну електронів у цих матеріалах (електронний спіновий резонанс) зазвичай не дає результатів через слабкий сигнал і перешкоди від підкладки.
Тепер команда вчених під керівництвом дослідників з Університету Брауна вперше розробила новий експериментальний метод для дослідження спінової структури в 2D матеріалах. Метод базується на спостереженні взаємодії між електронами, що обертаються у 2D-матеріалі, та фотонами, що надходять від мікрохвильового випромінювання. Тка взаємодія, спін-фотонний зв'язок, розкриває інформацію про спінову динаміку та когерентність електронів у матеріалі.
Команда продемонструвала свій метод на відносно новому 2D-матеріалі під назвою "магічний кут" скрученого двошарового графену (MATBG). Цей матеріал утворюється шляхом складання двох шарів графену і повороту їх на невеликий кут, що створює муаровий візерунок з шестикутників. Коли кут наближається до 1,1 градуса, матеріал стає надпровідником, адже може проводити електрику без опору або втрат енергії.
Походження такого роду надпровідності досі не до кінця зрозуміле, але вважається, що воно пов'язане зі спіновою структурою електронів у MATBG.
Використовуючи свій метод, дослідники змогли виміряти силу спін-фотонного зв'язку в MATBG і порівняти її з іншими 2D-матеріалами. Вони виявили, що MATBG має набагато сильніший зв'язок, ніж графен або гексагональний нітрид бору (hBN), інший 2D-матеріал, він широко використовується як підкладка для графену.
Фахівці також виявили, що сила зв'язку залежить від кута скручування і відповідного магнітного поля, що дозволяє припустити: спінова структура MATBG може бути налаштована за допомогою означених параметрів.
Дослідники кажуть, що їхній метод найбільш адекватний до інших двовимірних матеріалів і гетероструктур, які представляють собою комбінації різних двовимірних матеріалів, складених разом.
Вони сподіваються, що новий метод прискорить сучасні дослідження фізики спіну в двовимірних системах і прокладе шлях до розробки працюючих квантових технологій на основі двовимірних матеріалів.
