I ett tvådimensionellt lager av molybdendisulfid, elektron-elektroninteraktionen (blå trådar) tvingar elektronernas spinn (violetta sfärer) att passa in. Kredit:Institutionen för fysik, Universitetet i Basel
Fysiker från universitetet i Basel har visat spinnjustering av fria elektroner i ett tvådimensionellt material. Skriver i senaste upplagan av Naturens nanoteknik , de beskrev sin observation av spontan spinnpolarisering, som inte kan förekomma i idealiska tvådimensionella material enligt en välkänd sats från 1960-talet.
Tvådimensionella material är föremål för många studier. Eftersom de bara är några få atomlager tjocka, de har andra fysiska egenskaper än deras tredimensionella motsvarigheter. grafen, ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster, lovar att leverera helt nya applikationer tack vare sina anmärkningsvärda elektroniska egenskaper och är det mest kända exemplet på denna grupp av innovativa material.
Professor Richard Warburton från institutionen för fysik och det schweiziska institutet för nanovetenskap vid universitetet i Basel leder en grupp som studerar tvådimensionella material som också är lämpliga för optiska tillämpningar. En särskilt lovande kandidat är ett enda monolager av molybdendisulfid (MoS 2 ), eftersom detta material har ett bandgap – till skillnad från grafen – och därför kan avge ljus när det exciteras.
Alla åt samma håll
Nu, i de senaste analyserna av tvådimensionella molybdendisulfidlager, doktoranderna Jonas Roch och Nadine Leisgang har gjort en mycket överraskande upptäckt. De fyllde MoS 2 lager med fria elektroner och exponerade det sedan för ett svagt magnetfält.
Detta fick alla fria elektroners inre rörelsemängd (spin) att peka i samma riktning, och spinnet kunde "växlas" till den andra riktningen genom att vända magnetfältet. Känd som "spontan spin polarisation, "Fenomenet kom som en fullständig överraskning eftersom en teorem från 1960-talet utesluter spontan spinnpolarisering i ett idealiskt tvådimensionellt material.
"Var kommer spinpolarisationen ifrån? Elektronerna interagerar med varandra, och molybdendisulfid uppvisar också en mycket svag spin-omloppskoppling. Dessa två faktorer har förmodligen en massiv inverkan på systemet, " förklarar Jonas Roch. Formuleringen av 1966 års sats hade antagit en frånvaro av spin-omloppsinteraktion.
"Resultaten visar hur spännande experimentell fysik kan vara, och hur vi ständigt lär oss nya saker om tvådimensionella material, säger Richard Warburton.
