可以測量的量子振蕩！發(fā)現(xiàn)這種二維新材料，竟具有三種未知性質(zhì)！

對于所有的元素，要弄清楚它們能做什么，是單獨還是各種混合一起做，是一大研究難題。對于萊斯利·斯庫普實驗室，現(xiàn)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(zhì)，存在于一種材料中，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上。

研究表明范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(jié)合在一起，使其成為磁雙電子器件和自旋電子學(xué)等新領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)存儲和器件設(shè)計的先進(jìn)候選者。Schoop團(tuán)隊在項目開始后不久，于2018年初初步發(fā)現(xiàn)了這些獨特的特征，研究團(tuán)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。

隨后，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(jié)果的狀態(tài)。該實驗室已經(jīng)向研究人員運送了一些樣本，并急于探索這種化合物是如何歸入以前只有黑磷和石墨占據(jù)的類別。

高遷移率在層狀材料中是罕見的，這項研究中詳細(xì)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，以至于在沒有國家實驗室通?？梢哉业降奶厥馓綔y器和設(shè)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，部分取決于樣品的質(zhì)量。在兩年的時間里，研究人員提高了質(zhì)量，所以這些振蕩變得越來越戲劇性。但是第一批樣品已經(jīng)顯示出，即使生長出第一批晶體，也不知道到底在做什么。

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(yù)料到的高流動性電子結(jié)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范德華層狀材料里，就像是添加了一種新發(fā)現(xiàn)的烹飪原料，這就能做出現(xiàn)新的口味和菜肴。

所以，首先要把這些材料拿出來，下一件事是找出其應(yīng)用潛力：比如可以用它制造的設(shè)備有什么功能？作為沿著這條線的下一代材料，還可以進(jìn)一步提高什么性能？

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/厘米的磁場，電子將以每秒6萬厘米的凈速度移動。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(nèi)部的電子，能夠以最小的散射高速移動，從而減少任何用它制造電子設(shè)備的散熱。范德華層狀材料是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，用于下一代設(shè)備制造，也用于雙電子學(xué)，這在幾年前才在科學(xué)界首次描述。有了旋轉(zhuǎn)學(xué)，當(dāng)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(xué)、光學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，從而可能產(chǎn)生新的應(yīng)用機(jī)會。

此外，大約15年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)范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(fā)現(xiàn)激發(fā)了物理學(xué)的許多新發(fā)展。直到現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)2-D材料表現(xiàn)出磁序，即電子的自旋相互排列。

所有微型設(shè)備（例如硬盤驅(qū)動器）都是基于材料以不同的方式磁性排序，從而產(chǎn)生不同效率和用途。發(fā)現(xiàn)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(jìn)入二維的可能性，對于這種材料來說都是獨一無二的。

這項研究結(jié)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，也是與普林斯頓復(fù)合材料中心以及合著者Nai Puan Ong、SanFung Wu和Ali Yazdani合作的產(chǎn)物，他們都是普林斯頓大學(xué)物理系的教員。

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

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(xué)直覺”，正是這種“化學(xué)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(jié)果，GdTe3如此迅速和有力地產(chǎn)生它們的事實是一個跡象，表明化學(xué)對固體物理領(lǐng)域有重大貢獻(xiàn)。

研究團(tuán)隊也是化學(xué)系的一個小組，根據(jù)化學(xué)原理計算出這種材料應(yīng)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(yīng)該如何相互鍵合，而不是基于物理手段，后者通常是基于哈密頓來理解電子的能量。

但研究人員采取了一種非常不同的方法，更多地與繪制圖片有關(guān)，就像化學(xué)家所做的那樣，與軌道等相關(guān)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！

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博科園｜研究/來自：普林斯頓大學(xué)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aay6407

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