詹妮弗·劳伦·李，国家标准与技术研究所 自旋和磁性:带有旋转自旋的6原子结构的特写
蓝色原子的自旋指向上方；红色原子的自旋指向下方
在外加磁场中，这两个方向的响应不同
信用:肖恩凯利/NIST 国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员在二维(二维)磁体中发现了一个令人惊讶的特征，这是一种受到广泛关注的新型材料
他们的发现首次证实了一个长期以来被认为是由晶格振动(材料本身的结构)引起的信号实际上是由电子自旋波引起的
有些材料是由相互作用非常弱的层组成的，这使得科学家可以将单个层拉开或隔离，并获得原子级薄(几纳米量级)的二维薄片
例如，石墨烯是第一个从石墨中分离出来的二维材料
科学家对这些二维材料了解得越多，他们就越接近于实现潜在的应用，尤其是在下一代电子学甚至量子信息方面
NIST团队在今天的《物理评论》上公布了他们的结果
晶体管是所有现代电子产品的组成部分，信息通过电子的运动来存储和传递
这些电子的流动导致产生大量的热量，这就是笔记本电脑长时间使用会发热的原因
解决这个热点问题的一个前景是使用称为磁振子的自旋波作为设备中的信息载体，而不是移动的电子
基于磁振子或“磁振子”的未来技术将在没有或很少加热的情况下运行
NIST的工作通过建立测量技术来研究磁振子的基本物理，为未来的应用奠定了基础
NIST团队表示，二维设备工程师会对观察到磁振子的高频率感到特别兴奋
这对于确定潜在的基于磁振子的器件(例如，工作在太赫兹而不是千兆赫范围内的器件)的开关速度非常重要
独特的方法 NIST项目负责人安吉拉·海特·沃克说，尽管第一种二维材料石墨烯在2004年才被分离出来，但二维材料的研究已经发展成为凝聚态物理的一个分支
这些材料被称为二维材料，因为虽然它们可以有几微米宽，但它们非常薄——只有一个原子那么薄，或者比人的头发小10万倍
它们的纳米级厚度比三维材料更具可定制性，在三维材料中，甚至可以看到一两层相同材料之间的显著差异
一维链中的声子或晶格振动
信用:肖恩凯利/NIST “研究这些二维材料的一个令人兴奋的事情是有这么多不同的方法来调整它们，”或控制它们的行为，NIST物理学家安博·麦克里说
“例如，因为它们在物理上非常灵活，研究人员可以施加大量的应变来改变它们的特性，这是一种调谐机制，在更厚、更硬的材料中是没有的
" 使用二维材料还可以让科学家创造异质结构——薄材料层层叠放的三明治
不同层之间的相互作用也产生了可定制的行为，例如，当层相对于彼此旋转某个“神奇的角度”时，导致石墨烯变成超导的
但是直到最近，没有人认为当你把层状材料的尺寸缩小到二维极限时，它们会有磁性
然后，就在几年前，人们发现他们中的一些人实际上可以将他们的磁性行为保持在一个单一的层中，磁场“有趣地爆炸了”，麦克里说
在这一突破之后，海特·沃克和麦克里立即看到了利用他们独特的拉曼光谱系统研究这些二维磁性材料的潜力
拉曼光谱是一种用激光探测样品，然后测量样品如何散射光的技术，揭示二维材料的信息，如结构、缺陷、掺杂、层数和层间耦合等
研究人员将他们收集的数据可视化为一个频谱，一个所有被测频率的图形表示
典型的光谱在特定的光频率下会有代表强信号的峰值
除了传统拉曼光谱的所有功能之外，NIST的定制工程系统增加了同时跟踪散射光的能力，散射光是温度的函数(低至1
6 K)和磁场(高达9特斯拉)
NIST的科学家选择探索二维磁铁FePS3，因为当它在低温下变得有磁性时，它的拉曼光谱会发生显著变化
在大约120 K(大约-240华氏度)时，每个铁原子的自旋倾向于与它们的邻居相对排列；这种结构被称为反铁磁的，与铁磁相反，铁磁中所有的自旋都沿同一方向排列
在进行实验时，他们发现他们拉曼光谱中的一个峰表现得出乎意料
一维链中的磁振子或自旋波
信用:肖恩凯利/NIST 侦探小说:马格农还是声子？ 这项工作的关键在于理解声子和磁振子这两种集体激发的区别
声子是材料中的量子化晶格振动，量子化这个词用来表示只允许特定频率的振动
在这个动画中，你可以看到这种振动是如何通过一维(1D)原子链的结构传播的，随着材料的振动，一些原子相互靠近，然后远离
另一方面，磁振子不涉及原子本身的运动
取而代之的是，磁振子涉及到原子中电子的一种量子特性的变化，这种特性被称为自旋，它使磁铁具有磁性
如果你认为每个原子都是一个指南针，那么自旋(比喻)就是指南针的指针
然而，在这个比喻中，旋转可以指向北(上)和南(下)
下面的动画展示了一幅马格农的漫画，当旋转被激光扰动时，这种情况就会发生
你可以看到箭头是如何产生波动运动的，类似于这个1D链样本中磁性物质的自旋
这种对自旋的激发被称为自旋波
当你测量磁性材料的拉曼光谱时，声子和磁振子都可以显示为单独的峰，这些峰起初是无法区分的
它需要先进的调查技术，包括研究特征，同时跟踪它们对温度和磁场的反应，才能真正辨别两者
此前，研究团体已经在三氟化铁的拉曼光谱中发现了一个特定的声子峰
但是通过改变温度和磁场强度，NIST团队发现了两种奇怪的行为
首先，作为温度的函数，峰值的频率变化比预期的大
然后当他们施加越来越大的磁场时，他们追踪的特征出人意料地分裂成两个峰值
这些行为都不是声子所期望的
但它们是经典的马格农行为
“我们的研究首次证实了二维磁体中存在磁振子，我们独特的实验能力使其成为可能，”美国国家研究委员会博士后研究员、论文合著者图克·麦说
研究人员论文中的这张图是在特斯拉(T)的七种不同磁场强度下测量的一系列拉曼光谱
黄色突出显示的峰值代表特定光频率的信号
当磁场强度越来越高时，从最低磁场的一个峰值开始发散成两个单独的峰值
这种峰值发散是典型的马格农行为
学分:国家标准与技术研究所 我们将何去何从 海特·沃克说，这项工作的主要收获之一是，其他研究人员应该将磁拉曼光谱学视为探测二维磁体和其他量子材料的关键测量技术
“我们知道至少有三个实验室在听取我们介绍了我们独特能力的细节后，采用了类似的配置，”海特·沃克说
“因此，人们看到这一承诺是令人兴奋的
" “NIST是第一个将我们的磁光低温恒温器与如此先进的拉曼光谱技术结合起来的人，”研发、生产和分销纳米应用组件和系统的阿托科贝公司客户成功部主管巴拉兹·希波什说
“我们已经看到更多的实验室有兴趣复制他们的设置，以实现这些独特类型的测量
" 随着关于这些新材料的新信息被揭示，更多的应用将被实现
现在，二维磁铁是如此的新，以至于科学家们仍在潜心研究基础物理
但是基于磁性而不是电子的计算系统可能是一个潜在的高风险、高回报的结果
“我们正在为理解如何用光学来研究这些被称为相关量子材料的材料做基础工作，”海特·沃克说
“正如我们开始展示的，这项技术将是量子材料计量学的关键
"
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