研究人员已经证明，磷烯纳米带（PNRs）在室温下表现出磁性和半导体特性。该研究将PNRs确立为一种独特的低维材料类别，对传统磁性半导体的观点提出了挑战，并可能为解锁新的量子技术提供了一个起点。
研究人员首次证明，磷烯纳米带（PNRs）在室温下表现出磁性和半导体特性。该研究由剑桥大学牵头，与国际同事合作，确立了PNRs作为一种独特的低维材料类别，挑战了传统磁性半导体的观点，并可能为解锁新的量子技术提供一个起点。
科学家们长期怀疑，磷烯纳米带（PNRs）——薄薄的黑磷片，宽度仅为几纳米——可能表现出独特的磁性和半导体特性，但证明这一点一直很困难。在最近发表在《自然》期刊上的研究中，研究人员专注于探讨这些纳米带的磁性和半导体特性。通过使用超快磁光谱学和电子顺磁共振等技术，他们能够在室温下演示PNRs的磁性行为，并展示这些磁性特性如何与光相互作用。
该研究在卡文迪许实验室进行，并与包括华威大学、伦敦大学学院、柏林自由大学和奈梅亨欧洲高磁场实验室在内的其他机构合作，揭示了磷烯纳米带的一些关键发现。值得注意的是，这些纳米带在室温下表现出宏观的磁性特征。在相对较弱的磁场(<1T)下，它们惊人地在溶液中保持静止，几乎就像铁屑围绕磁铁排列一样。此外，当处于薄膜状态时，它们可以显示出仅与经典磁性金属（如铁和镍）相似的宏观磁性行为。
“最令人兴奋的是，我们发现除了这些磁性特性外，PNRs在纳米带的磁性边缘上还存在激发态，它与通常材料体相对称性所不允许的原子振动（声子）相互作用，”剑桥大学的初级研究员阿尔君·阿肖卡（Arjun Ashoka）表示，他是论文的第一作者。“这种不同寻常的相互作用使PNRs能够在其一维边缘上独特地结合磁性、光学和振动特性。”
“多年来，我们探索并利用了三维材料的复杂却亲和的二维表面，从催化到器件物理。通过这些新的纳米带，我们希望开启一维表面（即边缘）上的新物理探索。”
这项工作尤其重要，因为它标志着对磷烯纳米带预测的、但难以观察的磁性特性首次进行实验验证。
“确认磷烯纳米带本质上同时具有半导体和磁性——无需低温或掺杂——这一点尤为重要和新颖。虽然这一特性曾被预测，但直接观察到它无疑是对这些预测的令人难以置信的验证，”伦敦大学学院的克里斯·霍华德（Chris Howard）补充道，他的团队首次合成了这些纳米带。
这项研究最突出的地方是其可能对多个科学和技术领域的影响。这项研究可能为自旋电子器件提供新的途径，这些器件利用电子自旋而不是电荷来实现诸如量子器件的可扩展制造、柔性电子和下一代晶体管等新型计算技术。
“这项工作的最佳之处，除了是一个令人兴奋的发现外，还在于我们与10个研究所和5年的合作团队，突显了当我们共同努力时能够取得的惊人科学成就，”对应作者拉吉·潘迪亚（Raj Pandya）表示，他在进行这项研究时是卡文迪许实验室的初级研究员，现在在华威大学工作。
研究人员对这项工作的未来方向感到兴奋。他们的下一步将涉及寻找方法研究这些纳米带边缘上磁性与光和振动的耦合，并探索它们在开发全新设备概念方面的潜力。
