美国桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心和奥地利因斯布鲁克大学的科学家最近在《自然·物理学》杂志上发表论文，宣布他们首次观测到了二维（2D）材料内的自旋结构。这一发现将为直接研究电子在2D量子材料内的自旋特性奠定基础，有望催生基于这些材料的计算和通信产品。
在最新研究中，科研团队对名为“魔角”扭转双层石墨烯的2D材料进行了测量。这种石墨烯基材料由两片超薄碳层堆叠并扭转成直角时产生，新双层结构“变身”为超导体，使电能在没有阻力的情况下流动。
物理学家一般使用核磁共振来测量电子的自旋：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。但2D材料面临的挑战是，微波激发使电子产生的磁性特征太小而无法检测。
研究团队此次没有直接检测电子的磁化强度，而是测量了电子电阻的细微变化，这些变化由辐射引起的磁化强度变化导致。这些电流的微小变化使研究人员能够检测电子是否吸收了微波辐射产生的光子。借助这一方法，他们首次观测到了自旋电子与微波辐射光子之间直接的相互作用。
2D材料是一种非常薄的材料，厚度只有几个原子层。这种材料具有很多优异的性质，比如高电导率、高透明度和高强度等，因此被广泛应用于电子学、能源、生物医学和光电子学等领域。而自旋则是电子固有的一个属性，类似于一个微小的磁矢量，可以影响电子的运动和相互作用。因此，探索自旋特性对于理解2D材料电子学性质具有重要意义。
科学家们使用扫描隧道显微镜技术观察了单层钨酸化物（tungsten diselenide）中的自旋结构。他们发现，在这种材料中，电子自旋的方向是与电子运动方向垂直的，形成了一个螺旋状结构。这种自旋结构可以通过施加外部电场或磁场来控制和调节。
这项研究的重要性在于，它为进一步研究2D材料中的自旋特性提供了一种新的方法。科学家们表示，这些材料具有巨大的潜力，可以用于构建新型的自旋电子器件，如自旋场效应晶体管、自旋电子记忆器和自旋激光等。此外，这项研究还为理解自旋电子学和量子计算等领域的基本物理问题提供了新的思路和理论依据。
这项研究为2D材料中自旋特性的研究奠定了基础，有望催生新型的自旋电子器件和量子计算技术。我们期待着更多的科学家加入到这个领域，推动自旋电子学的发展和应用。
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2D材料中不起作用，因此科学家们从未真正在2D材料内探测到，也无法从理论上研究2D材料内的自旋。
