在二维材料的自旋结构探究中，科学家们一直有着磁性特征太小而无法检测的困扰，如今布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为，他们现在有办法解决这一长期挑战。并成功首次发现二维材料的自选结构，这个研究结果可能会在新兴的二维电子领域引发重大进展。

什么是电子自自旋？

电子等实物粒子就像地球一样绕中心轴转动，同时电子周围的电场也同步转动。实物和场共有两个速度、两个质量、两个能量、依据量纲分析可得还有两个角动量、两个运动方程、两个离心力、向心力及相对论效应等物理量。特别注意：这里有两个转动。

电子自旋的发展背景

1925年秋，二个“无知”的物理系学生—古兹米特和乌伦贝克，提出电子自旋就像地球、磁体一样绕中心轴转动，他们写成论文交给物理学家Ehrenfest修改，Ehrenfest提醒他们：建议他们去询问一下威望极高的物理学家洛伦兹。当二位年轻人满怀希望地找到洛伦兹后，发现：洛伦兹并不赞同电子像一个地球一样运动的看法，因为，他通过一系列计算发现，如果电子像地球一样自旋，则它的表面转动速度要比光速大很多倍，这就违反了当时公认的“光速是物质运动的极限速度”的结论。他们只好带着沮丧返回，并急匆匆去找Ehrenfest要回论文稿，而Ehrenfest却告诉他们“我早寄出去了，你们都还年轻，允许你们干点蠢事。”正是Ehrenfest的疏忽与宽容，才成就了电子自旋概念的横空出世。论文发表后，自然遭到很多知名物理学者的反对，但由于电子自旋假设可以很好地从物理机制上解释了实验。只知道它有角动量却不知道如何转动，但是量子力学无可奈何地认为是一种莫可名状的量子现象，电子自旋假说成为历史悬案。显然，大家只计算电子实体的角动量，大家都想当然，不约而同地忽略了电场的角动量！

不该忽略电场、磁场的物理量

在研究物体时，常常忽略一些次要的因素，这是可以的，但是大家养成不好的习惯思维，不该忽略的时候依然忽略。例如，牛顿力学在研究地球或磁铁时，忽视磁场的物理量；在电磁学在研究电场、磁场的规律时，没有考虑实体的物理量，不妨把牛顿力学看成左手，把电磁学看成右手，在研究粒子时，同时使用左右手。最大的错误在于，在研究粒子和高速天体时，依然忽视电场、磁场和引力场的物理量，粒子的运动速度和自转速度是非常高的，能量、质量、角动量很大，坚决不能忽略！

二维材料中的自旋结构首次被探测

电子自旋是一种赋予物质结构的基本行为，是量子现象中最重要的部分，但测量电子自旋的典型方式通常在二维材料中不起作用，因此科学家们从未真正在二维材料内探测到，也无法从理论上研究二维材料内的自旋。

二十年来，物理学家一直试图直接操纵石墨烯等二维材料中的电子自旋。这样做可能会在新兴的二维电子领域引发重大进展，二维电子领域是一个超快速、小型和灵活的电子设备基于量子力学进行计算的领域。

“2018年提出的许多主要问题仍有待回答，”领导这项工作的布朗大学李实验室的研究生Erin Morissette说。

物理学家通常使用核磁共振或核磁共振来测量电子的自旋。他们通过使用微波辐射激发样本材料中的核磁特性，然后读取这种辐射引起的不同特征来测量自旋。

二维材料面临的挑战是，电子对微波激发的磁性特征太小，无法检测。

这使得人们很难完全理解这些材料并以此为基础推动技术进步。但由布朗大学研究人员领导的一个科学家团队认为，他们现在有办法解决这一长期挑战。他们在《自然物理学》上发表的一项新研究中描述了他们的解决方案。

在这项研究中，该团队还包括来自桑迪亚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，描述了他们认为是第一个显示二维材料中旋转的电子与进入的光子之间的直接相互作用的测量结果来自微波辐射。研究人员表示，电子对微波光子的吸收被称为耦合，这为直接研究电子在这些二维量子材料中如何自旋的特性建立了一种新的实验技术，可以为开发基于这些材料的计算和通信技术奠定基础。

布朗大学物理学助理教授、该研究的高级作者Jia Li说：“自旋结构是量子现象中最重要的部分，但我们从未在这些二维材料中真正有过直接的探针。在过去的二十年里，这一挑战使我们无法从理论上研究这些迷人材料中的自旋。我们现在可以使用这种方法研究许多以前无法研究的不同系统。”

研究人员对一种名为“魔角”扭曲双层石墨烯的相对较新的二维材料进行了测量。这种石墨烯基材料是在两片超薄碳层堆叠并扭曲成直角时产生的，将新的双层结构转化为超导体，使电能在没有阻力或能量浪费的情况下流动。2018年刚刚发现的这种材料，由于其潜力和神秘性，研究人员将重点放在了它身上。

研究小组决定即兴发挥。他们没有直接检测电子的磁化强度，而是使用布朗分子与纳米创新研究所制造的设备测量了电子电阻的细微变化，这些变化是由辐射引起的磁化强度变化引起的。电流流动的这些微小变化使研究人员能够使用该设备检测电子正在吸收微波辐射的照片。

研究人员能够从实验中观察到新信息。例如，该团队注意到，光子和电子之间的相互作用使系统某些部分的电子表现得像在反铁磁系统中一样，这意味着一些原子的磁性被一组磁性原子抵消了反方向对齐。

研究二维材料自旋的新方法和目前的研究结果不适用于今天的技术，但研究团队看到了该方法在未来可能带来的潜在应用。他们计划继续将他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯，但也将其扩展到其他二维材料。

“这是一个非常多样化的工具集，我们可以使用它来访问这些强相关系统中电子顺序的重要部分，并且通常可以了解电子在二维材料中的行为方式，”Morissette说。

该实验于2021年在新墨西哥州的综合纳米技术中心远程进行。因斯布鲁克大学的Mathias S. Scheurer为建模和理解结果提供了理论支持。这项工作得到了国家科学基金会、美国国防部和美国能源部科学办公室的资助。

文章来源： 科学头条，熊玉科，科技日报