可以測量的量子振蕩!發現這種二維新材料,竟具有三種未知性質!

2020-11-24 騰訊網

對於所有的元素，要弄清楚它們能做什麼，是單獨還是各種混合一起做，是一大研究難題。對於萊斯利·斯庫普實驗室，現在在一次這樣的研中，揭示了一種層狀化合物，它具有三種以前未知的性質，存在於一種材料中，其研究發現發表在《科學進展》期刊上。

研究表明範德華層狀材料三碲化釓(GdTe3)在所有已知的層狀磁性材料中，顯示出最高的電子遷移率。此外，它具有磁性有序，很容易被剝離。

這些特性結合在一起，使其成為磁雙電子器件和自旋電子學等新領域以及數據存儲和器件設計的先進候選者。Schoop團隊在項目開始後不久，於2018年初初步發現了這些獨特的特徵，研究團隊的第一個成功是證明了GdTe3很容易剝離到10 nm以下的超薄薄片。

隨後，研究小組花了兩年時間將材料晶體的純度，提煉到只會放大結果的狀態。該實驗室已經向研究人員運送了一些樣本，並急於探索這種化合物是如何歸入以前只有黑磷和石墨佔據的類別。

高遷移率在層狀材料中是罕見的，這項研究中詳細描述的特性，被描述為可以測量的量子振蕩或「擺動」，非常明顯，以至於在沒有國家實驗室通常可以找到的特殊探測器和設備的情況下就能觀察到它們。

通常情況下，如果你看到這些振蕩，部分取決於樣品的質量。在兩年的時間裡，研究人員提高了質量，所以這些振蕩變得越來越戲劇性。但是第一批樣品已經顯示出，即使生長出第一批晶體，也不知道到底在做什麼。

這對研究人員來說是非常令人興奮的，研究在這種材料中看到了這些沒有預料到的高流動性電子結果。研究人員將這一消息描述為一次「突破」，這在很大程度上是因為它的流動性很高。把這種材料添加到二維範德華層狀材料裡，就像是添加了一種新發現的烹飪原料，這就能做出現新的口味和菜餚。

所以，首先要把這些材料拿出來，下一件事是找出其應用潛力：比如可以用它製造的設備有什麼功能？作為沿著這條線的下一代材料，還可以進一步提高什麼性能？

作為一種稀土三碲化物，GdTe3的載流子遷移率超過60000 cm2V-1s-1。這意味著，如果對材料施加1伏特/釐米的磁場，電子將以每秒6萬釐米的淨速度移動。相比之下，其他磁性材料的遷移率通常只有幾百cm2V~(-1)s~(-1)。

高遷移率很重要，因為這意味著材料內部的電子，能夠以最小的散射高速移動，從而減少任何用它製造電子設備的散熱。範德華層狀材料是2-D材料的母體化合物，在這種材料中，層被弱力捆綁在一起。

研究人員正在研究它們，用於下一代設備製造，也用於雙電子學，這在幾年前才在科學界首次描述。有了旋轉學，當二維材料層疊在一起時，它們會錯位或扭曲。晶格的合理錯位可以改變電學、光學和機械性質，從而可能產生新的應用機會。

此外，大約15年前，科學家發現範德華層狀材料可以通過使用像透明膠帶這樣普通的東西來剝離到最薄的一層，這一發現激發了物理學的許多新發展。直到現在才發現2-D材料表現出磁序，即電子的自旋相互排列。

所有微型設備（例如硬碟驅動器）都是基於材料以不同的方式磁性排序，從而產生不同效率和用途。發現這種電子射出的材料，非常完美，非常容易，速度也很快。此外，這種磁序以及進入二維的可能性，對於這種材料來說都是獨一無二的。

這項研究結果對兩年多前才成立的年輕斯庫普實驗室來說，是一個強有力的證明，也是與普林斯頓複合材料中心以及合著者Nai Puan Ong、SanFung Wu和Ali Yazdani合作的產物，他們都是普林斯頓大學物理系的教員。

為了全面了解GdTe3的電磁特性，該團隊還與波士頓學院(Boston College)、阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)和馬克斯·普朗克固態研究所合作，利用同步輻射了解材料的電子結構。

從更廣泛的角度來看，斯庫普實驗室對這項研究最滿意的是「化學直覺」，正是這種「化學直覺」讓研究小組首先從GdTe3開始了這項研究，因為最初懷疑會有有希望的結果，GdTe3如此迅速和有力地產生它們的事實是一個跡象，表明化學對固體物理領域有重大貢獻。

研究團隊也是化學系的一個小組，根據化學原理計算出這種材料應該對高遷移率的電子有用，在考慮原子在這些晶體中是如何排列的，以及它們應該如何相互鍵合，而不是基於物理手段，後者通常是基於哈密頓來理解電子的能量。

但研究人員採取了一種非常不同的方法，更多地與繪製圖片有關，就像化學家所做的那樣，與軌道等相關的東西。研究人員也用這種方法取得了成功，

在思考令人興奮的材料方面，這是一種如此獨特和不同的方法！

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學

參考期刊《科學進展》

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