美國科學家利用石墨烯磁性突破，有望大幅縮小無線技術

該技術有望制造出僅有微米尺寸的微波器件。

美國科學家將磁自旋波與石墨烯中電子的行為聯(lián)系起來，展示了兩個看似無關的物理領域之間的聯(lián)系，有望推動無線技術的微型化。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學院的研究人員揭示了一種方法，可以使二維磁性系統(tǒng)遵循與二維石墨烯中可移動電子相同的方程。他們認為，這一發(fā)現(xiàn)可以改進用于無線和蜂窩網(wǎng)絡的微波技術，并可能有助于設計新型射頻器件，以及探索二維系統(tǒng)中的奇異行為。

該研究的主要作者、UIUC 博士生 Bobby Kaman 指出："二維電子學和二維磁性行為之間存在類比關系，這一點并不顯而易見，我們仍然對這種類比的有效性感到驚訝。"

模仿石墨烯

石墨烯是由碳原子以六邊形晶格排列而成的單原子層。它是構成石墨的基本單元，并因其獨特的電子特性而廣受歡迎。Kaman 是 UIUC 教授 Axel Hoffmann 博士研究小組的學生，他在研究超材料時意識到，石墨烯中的電子和磁子材料中的磁化波都可以像波一樣行為。

這讓他思考，能否通過工程手段讓磁系統(tǒng)模仿電子在石墨烯中的運動方式。Kaman 說："石墨烯的獨特之處在于其傳導電子組成了無質量的波，所以我很好奇，如果改變磁子材料的物理幾何結構使其看起來像石墨烯，它是否會產生類似石墨烯的行為。"

磁子，也稱為自旋波，是材料內部的微觀磁矩共同振蕩時產生的集體波。這位博士生繼續(xù)說道："我原以為它可能只有少數(shù)幾個與石墨烯相似的特性，但這種類比比我預期的要深刻和豐富得多。"

一個令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

為了驗證這個想法，研究團隊制造了一種磁子晶體——一種具有重復圖案設計的磁性材料，用于控制自旋波的傳播。它由一層薄薄的磁性薄膜構成，上面蝕刻有按六邊形晶格排列的孔洞。

當團隊計算自旋波如何穿過這種結構時，他們發(fā)現(xiàn)自旋波的能量和運動遵循與描述石墨烯電子相同的數(shù)學方程。此外，計算還揭示了九個不同的自旋波能帶。其中一些能帶的行為類似于石墨烯的無質量電子波。而另一些則對應于局域態(tài)，甚至表現(xiàn)出拓撲效應，這些現(xiàn)象可以產生高度魯棒的波傳輸。

Hoffmann 表示，這項工作直接將一個工程化的自旋系統(tǒng)與一個基礎物理模型聯(lián)系起來。"眾所周知，磁子晶體會產生大量依賴于結構和幾何的復雜現(xiàn)象，其中大多數(shù)現(xiàn)象只是被記錄下來，而并未被真正理解，"他說。"這個系統(tǒng)中的石墨烯類比為觀察到的行為提供了一個清晰的解釋。"

科學家們相信，這一發(fā)現(xiàn)可能在無線和蜂窩網(wǎng)絡中使用的微波技術中具有實際應用價值。據(jù) Hoffman 介紹，其中一種設備是微波環(huán)行器，它允許微波無線電信號僅沿一個方向傳輸。他在一份新聞稿中總結道："這些設備通常體積較大，但我們研究的磁子系統(tǒng)有可能將微波器件微型化到微米尺度。"

這項研究已發(fā)表在《物理評論X》期刊上。

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