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2D磁性 用于能量 信息和计算研究的原子厚平台

二维磁性长期以来一直引起研究人员的兴趣,并激发了研究人员在纳米器件中释放新物质和效用的潜力。

在某种程度上,兴奋的驱动因素是电子的磁矩 - 被称为“旋转” - 将不再能够在完全清洁的系统中对齐。这种激发强度的增强可以释放出许多新的物质状态,并实现量子计算的新形式。

一个关键的挑战是成功制造出完美清洁的系统以及它们与其他材料的结合。然而,十多年来,被称为“范德华”晶体的材料通过摩擦结合在一起,已被用于隔离单原子厚度的层,从而产生许多新的物理效应和应用。

最近,这一课程已经扩展到包括磁性材料,它可能提供一个最雄心勃勃的平台,用于研究和操纵纳米尺度的物质阶段的科学努力,来自波士顿学院,田纳西大学和首尔国立大学的研究人员,写在最新一期的自然杂志上。

根据波士顿学院物理学副教授Kenneth Burch的说法,二维磁学是过去80年来理论探索和实验的主题,由于一组相对丰富且易于操作的材料和化合物而正在复兴。 “二维范德瓦尔斯材料中的磁性”一文的第一作者。

这些材料中最常被引用的例子是石墨烯,一种由均匀的原子厚层构成的晶体。简单地将一片透明胶带施加到晶体上的过程可以去除单层,提供薄的,均匀的部分以用作平台以产生具有一系列物理性质的新材料以供操作。

"What's amazing about these 2-D materials is they're so flexible," said Burch. "Because they are so flexible, they give you this huge array of possibilities. You can make combinations you could not dream of before. You can just try them. You don't have to spend this huge amount of time and money and machinery trying to grow them. A student working with tape puts them together. That adds up to this exciting opportunity people dreamed of for a long time, to be able to engineer these new phases of matter."

在那一层,研究人员专注于旋转,Burch称之为电子的“磁矩”。虽然电子的电荷可用于发送两个信号 - “关闭”或“开启”,结果表示为零或一个 - 自旋激励提供多个控制点和测量点,指数扩大到信号,存储或传输信息在最小的空间。

“现在最大的努力之一就是试图改变我们的计算方式,”Burch说。“现在我们记录电子的电荷是否存在。由于每个电子都有磁矩,你可以利用这些时刻的相对方向存储信息,这更像是一个有多个点的指南针。不要只得到一个零,你得到所有的价值。“

潜在的应用领域是新的“量子”计算机,传感技术,半导体或高温超导体。

“我们的观点是,人们非常重视设备,并试图追求这些二维材料制造这些新设备,这是非常有前景的,”Burch说。“但我们指出的是磁性2D原子晶体也可以实现设计这些新阶段的梦想 - 物质的超导,磁性或拓扑阶段,这实际上是最激动人心的部分。实现这些并不仅仅是从根本上感兴趣已经存在了40年的定理。这些新阶段将应用于各种形式的计算,无论是在自旋电子学,生产高温超导体,磁性和光学传感器以及拓扑量子计算中。

Burch和他的同事 - 田纳西大学的David Mandrus和首尔国立大学的Je-Geun公园 - 概述了磁性范德瓦尔斯材料研究的四个主要方向:

发现具有特定功能的新材料。具有各向同性或复杂磁相互作用的新材料可以在新的超级二极管的开发中发挥重要作用。

这些新材料还可以深入理解凝聚态物理中的基本问题,作为实验的独特平台。

这些材料将进行测试,有可能成为独特的设备,能够提供新颖的应用。这些材料的二维结构使它们更容易接受外部信号。

这些材料具有量子和拓扑相,可能潜在地导致奇异状态,例如量子自旋液体,“skyrmions”或新的超导迭代。

国家科学基金会(NSF)项目官员Germano Iannacchione负责监督Burch和其他材料科学家的资助,他说这些共同作者提供了更广泛的科学家群体思想,这些思想可以用来引导一个超越材料研究界限的动态领域。

“2D van Der Waals材料中的磁性已经发展成为一个充满活力的研究领域,”Iannacchione说。“它的研究人员已经从高度集中的研究人员成熟,成为了一个领导一个领域的政治家,将应用程序扩展到尽可能多的渠道。该评论抓住了稳定,专注,有时风险的研究的倍增方面,开辟了巨大的新领域,具有巨大的应用潜力在量子计算和自旋电子学。“

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