宾夕法尼亚大学 研究生倪卓良在助理教授吴亮的实验室工作，他是第一个利用原子级薄半导体进行新研究的作者，这项研究是关于如何利用少量应变来控制材料的磁性
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学分:宾夕法尼亚大学 对原子级薄半导体的新研究表明，使用少量应变就可以控制材料的磁性
这项发表在《自然纳米技术》杂志上的研究为从新型自旋电子器件到更快的硬盘驱动器的应用提供了重要的见解
这项研究是由研究生倪卓良进行的，由助理教授吴亮领导，与宾夕法尼亚大学的查理·凯恩和尤金·梅勒以及田纳西大学、诺克斯维尔大学、德克萨斯A&M大学、弗里堡大学和橡树岭国家实验室的研究人员合作
吴的实验室主要致力于拓扑材料的实验
但是，随着最近对两种金属合金的光电流效应的研究和单硅化钴中外来粒子的发现，实验室关于锰磷三硒化物(一种半导体材料)的最新论文深入研究了对称性的概念，对称性是一种系统的物理或数学特征，在经历某些转变时不会改变
从守恒定律到粒子行为，对称性是物理学中的一个关键概念，对于理解具有可控或可转换磁性状态的材料(如三氧化锰)至关重要
有不同类型的磁铁
对于铁磁材料来说，电子都向同一个方向旋转，并赋予材料自发的磁性，使它们能够附着在某些类型的金属上
相比之下，反铁磁材料，如MnPSe3，有一个反平行排列的上下自旋电子数相等的图案
这抵消了它们的总磁矩，意味着它们不像铁磁材料那样有外部杂散磁场；然而，它们仍然有自旋方向不同的电子
现有的硬盘依靠铁磁材料，其中电子自旋方向的变化代表组成存储器的位或0和1，但人们对用反铁磁材料开发存储器件感兴趣
例如，如果存在另一个磁场，存储在铁磁设备中的信息可能会丢失
这些设备的运行速度也受到手动改变一个比特所需时间的限制，在纳秒范围内
另一方面，反铁磁材料能够在皮秒范围内更快地转换它们的自旋方向，并且对外部磁场不太敏感
吴说，虽然反铁磁材料有一些优点，但使用这种材料，尤其是二维材料，在技术上是有挑战性的
为了研究这种材料，倪和吴必须首先开发一种方法来测量微小的信号，而不需要释放太多的能量来损坏原子级的薄材料
“通过使用光子计数器，我们能够降低噪音，”吴说
“这是一项技术突破，使我们能够检测单层中的反铁磁性
" 使用他们新的成像方法，研究人员发现他们可以在低温下将材料“转换”为反铁磁相
他们还发现，这种材料的状态比预期的少，类似于计算机内存中使用的比特
研究人员只观察到两种状态，尽管根据它的旋转对称性，预计它有六种状态
吴转向凯恩和梅勒，提出了一个理论，可以帮助解释这些意想不到的结果，并通过这种合作认识到横向应变，如拉伸或剪切，可能对其对称性的重大影响
凯恩说:“一个完美的样品有三重旋转对称性，但是如果有东西拉着它，如果你把它旋转120度，它就不再一样了。”
”梁一提出“应变”的概念，作为理论家的他马上就明白了，六个域中的两个域应该被挑出来
" 在随后的实验证实了他们的假设后，研究人员还惊讶于少量的应变在改变材料性质方面有多么强大
“在过去，人们确实使用应变来改变自旋方向，但在我们的情况下，重要的是少量的应变可以控制自旋，这是因为在我们的情况下，应变的作用在相变中非常重要，”吴说
有了这一新的见解，研究人员说，这项研究可以成为利用应变的微小变化来更好地控制反铁磁特性的起点
在这类材料中，应变也是一种更容易控制的特性，目前需要一个巨大的磁场(大约几特斯拉)来改变电子的自旋方向，它可以是一种刻度盘或旋钮，可以改变磁序或电子自旋的模式
“反铁磁材料中没有杂散场意味着你没有一个宏观的东西可以用来操纵矩，”梅勒说，“但是有一些内部自由度允许你通过直接耦合到有序来实现它。”
" 为了进一步研究这种材料，倪正在进行几个后续实验
这包括观察电场和脉冲是否可以改变自旋方向，以及评估太赫兹脉冲(反铁磁材料的自然共振频率)在控制电子自旋方向和开关速度方面的用途
“我们可以用太赫兹波来控制自旋，”倪谈到这个系统时说，这也是吴实验室的一项专业技术
“太赫兹波比千兆赫快得多，对于反铁磁自旋，我们可以使用太赫兹波来控制从一种状态到另一种状态的超快转换
" “反铁磁材料为创造更快的信息处理自旋电子器件提供了新的令人兴奋的机会，也为有效产生太赫兹辐射提供了新的方法，太赫兹辐射是超过5G无线通信的电磁频谱的一部分，”资助这项研究的陆军研究办公室固态电子和电磁学项目经理乔·邱说
“所有这些都是未来陆军电子系统的重要技术
"
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