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《自然》《科学》一周(3.12-3.18)材料科学前沿要闻

来源:新材料在线|

发表时间:2018-03-18

点击:1864

1. 使用固态自旋传感器的高分辨率磁共振波谱仪

(High-resolution magnetic resonance spectroscopy using a solid-state spin sensor)


材料名称:固态自旋传感器

研究团队:美国哈佛大学Walsworth研究组


由固态电子自旋组成的量子系统可以作为核磁共振(NMR)信号的灵敏检测器,特别是来自非常小的样品的信号。例如,金刚石中的氮空位中心已经用来记录来自纳米尺度样品的 NMR 信号,其灵敏度足以检测单个蛋白质产生的磁场。但是,报道的利用氮空位中心的分子最佳 NMR 谱分辨率约为 100 赫兹。这不足以解析化学、结构生物学以及材料研究中对于核磁共振应用至关重要的分子结构关键波谱标识,如标量耦合(要求分辨率小于 10 赫兹)和小化学位移(要求分辨率约为原子核拉莫尔频率的百万分之一)。传统感应检测的核磁共振可以提供必要的高波谱分辨率,但因其灵敏度有限而通常需要毫米级的样品(排除对于更小的样品的应用,例如皮升(picolitre-volume)化学分析或相关光学和 NMR 显微镜)。Glenn 等人演示了一种测量技术,该技术使用由氮空位中心组合与窄带同步读出协议共同组成的固态自旋传感器(磁力计),从而得到约 1 赫兹的 NMR 光谱分辨率。利用这种技术来观察大约 10 皮升的微米尺度样品体积中的 NMR 标量耦合。他们还利用与氮空位中心的结合将 NMR 应用于热极化核自旋以及解析小分子的化学位移谱。这一技术能够在单细胞的尺度上实现分析型核磁共振光谱学。(Nature DOI: 10.1038/nature25781)


2. 镍基底上吸附态原子促进石墨烯生长的实时成像

(Real-time imaging of adatom-promoted graphene growth on nickel)


材料名称:石墨烯

研究团队:意大利的里雅斯特大学Peressi研究组


人们预计单原子固体是可以参与固体表面发生的许多物理和化学过程的,例如金属上石墨烯的生长。Patera 等人对在镍(Ni)基底上生长石墨烯相关过程中单金属吸附原子起到的催化作用进行了理论和实验上的证明。实验上通过毫秒分辨率扫描隧道显微镜成像直接捕获到了单个 Ni 原子在生长的石墨烯薄片边缘处的催化作用,力场分子动力学和密度泛函理论的计算也印证了这一结果。该研究结果揭示了控制单原子催化剂活性的机制。(Science DOI: 10.1126/science.aan8782)



3.拓扑绝缘体激光器:实验

(Topological insulator laser: Experiments)


材料名称:InGaAsP拓扑绝缘体

研究团队:以色列理工学院Segev研究组


能够表现出拓扑不变量的物理系统大都天然地具有抵抗扰动的稳健性,例如拓扑绝缘体中所体现出的—即能够表现出稳健电输运的材料,可以免于缺陷和无序引起的散射。近年来,在光子学领域开展这些现象的努力十分活跃。Bandres 等人展示了一个非磁性拓扑绝缘体激光系统,展现了空腔中的拓扑保护输运。它的拓扑性质引生了单模激光对抗缺陷的稳健性,以及相比于拓扑微小对应物更高的斜率效率。而且,通过由 S-手性微谐振器组装的系统进一步探索了有源拓扑平台的特性,强化了预先没有磁场的单向激射。这项研究工作为实现具有激动人心的特性和功能的有源拓扑设备铺平了道路。(Science DOI: 10.1126/science.aar4005)


4. 拓扑绝缘体激光器:理论

(Topological insulator laser: Theory)


材料名称:拓扑绝缘体

研究团队:以色列理工学院Segev研究组


拓扑绝缘体是以拓扑边缘态为特征的物质的相,其以单向方式传播,面对缺陷和无序十分稳健。这些属性使得拓扑绝缘体系统成为量子计算和自旋电子学应用理想的候选材料。Harari 等人提出了一种以独特的方式利用拓扑效应的概念:拓扑绝缘体激光器。这些激光器的激光模式表现出了无磁场的拓扑保护输运。基础的拓扑性质促成了高效率的激光器,其对缺陷和无序具有强大的稳健性,即使在非常高的增益值下也可以实现单模激光。拓扑绝缘体激光器改变了当前对无序和激光之间相互作用的理解,并且同时在拓扑物理学中开辟出了令人兴奋的可能性,例如含增益系统中的拓扑保护输运。在技术方面,拓扑绝缘体激光器为实现半导体激光器阵列提供了一条途径,即半导体激光器阵列作为一个单模高功率激光器高效地耦合到输出端口。(Science DOI: 10.1126/science.aar4003)


5. 用与电流极性相关的方法操纵反铁磁畴

(Current polarity-dependent manipulation of antiferromagnetic domains)


材料名称:CuMnAs

研究团队:英国诺丁汉大学Wadley研究组


作为自旋电子器件中的有源元件,反铁磁体具有多种良好的性质,包括超快动力学,零杂散场和对外部磁场不敏感性。四方 CuMnAs 是一种测试平台系统,其反铁磁有序参数在环境条件下可以通过电流进行可逆地转变。在以往的实验中,都是利用正交面内电流脉冲诱导来实现反铁磁畴的 90°旋转,以及演示多端几何的全电存储器的位操作。Wadley 等人证明了可以仅使用两个电触点来操纵反铁磁畴壁,实现稳定且可再现的畴变化。该过程是利用电流的极性来转变反铁磁亚晶格上的电流感应有效场的符号来实现。利用 X 射线磁性线性二色显微镜可以对产生的可逆畴和畴壁重构进行成像,也可以利用电信号进行检测。通过畴壁运动产生的转变可以发生在比相干畴转变所需电流密度低得多的情况下。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0079-1)



6. 利用电场对二维范德瓦尔斯磁体进行转化

(Electric-field switching of two-dimensional van der Waals magnets)


材料名称:CrI3

研究团队:美国耶鲁大学Mak研究组


用纯电方式来控制磁性是改善信息技术的一项关键挑战。此前对包括铁磁(FM)金属、FM 半导体、多铁性材料和磁电(ME)材料等多种材料体系磁场的电场控制,都已经进行过探索了。二维(2D)范德华磁体的新发现,为在纳米尺度上通过范德华异质结构器件平台控制磁性开启了新的大门。Jiang 等人演示了通过在场效应器件中施加小的栅极电压,实现对双层 CrI3(其基态为反铁磁(AFM)半导体)中磁性的控制,以及使用磁性圆二色(MCD)显微镜对磁化强度的检测。施加的电场会产生层间电位差,其结果便是造成了大的线性 ME 效应,而其符号取决于层间 AFM 顺序。Jiang 等人还实现了在层间自旋翻转转换附近的层间 AFM 和 FM 状态之间的完全可逆的电切换。这一效应源于层间交换偏置对电场的依赖性。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0040-6)


7. 二维材料在多晶基底上的演化选择生长

(Evolutionary selection growth of two-dimensional materials on polycrystalline substrates)


材料名称:石墨烯

研究团队:美国橡树岭国家实验室Vlassiouk研究组


现在对于大尺寸高质量单晶二维(2D)材料的制造有着很大的需求。通常认为外延生长是制备单晶薄膜的首选方法,但这需要用于沉积的单晶基底。Vlassiouk 等人提出了一种不同的方法,在多晶基底上合成类单晶单层石墨烯薄膜。这一方法的技术实现类似于 Czochralski 过程,并且基于在 2D 几何中已经实现的演化选择方法。该方法依赖于对增长最快的畴方向的“自我选择”,这种方法最终压倒了生长缓慢的畴并产生了单晶连续 2D 膜。Vlassiouk 等人利用这种方法以达 2.5cm•h-1 的速率合成了达到英尺长的具有单晶质量的石墨烯薄膜。预计这一方法很容易用于合成其他 2D 材料和异质结构。(Nature Materials DOI: 10.1038/s41563-018-0019-3)



8. 利用滞后挠曲电场选择性控制多个铁电转换途径

(Selective control of multiple ferroelectric switching pathways using a trailing flexoelectric field)


材料名称:铁电材料

研究团队:韩国基础科学研究所Noh研究组


挠曲电效应是电极化和应变梯度之间的力电耦合,它能够在不施加电偏压的情况下对极化进行机械操纵。最近,利用扫描探针显微镜(SPM)的尖端实现了对单轴系统的面外极化进行机械地切换,这是对挠曲电效应的直接证明。但是,在低对称多轴铁电体中挠曲电效应的应用以及由此通过挠曲电效应对多畴的主动操纵,都还尚未实现。Park 等人表明,对称破缺的挠曲电效应为多轴铁电材料中的多畴转换途径的选择性控制提供了有力的路径。具体来说是利用了机械加载的扫描探针显微镜尖端运动所产生的滞后挠曲电效应。通过控制 SPM 扫描方向,可以确定性地选择多铁磁性 BiFeO3 薄膜中稳定的 71°铁弹性转换或 180°铁电转换。相场模拟表明放大后的面内滞后挠曲电效应对于这一畴工程是必不可少的。此外,Park 等人还展示了机械转换畴具有良好的滞留特性。这项研究工作为确定性地选择低对称性材料中的纳米级铁电畴,从而用于非易失性磁电器件和多级数据存储,开辟了一条新的途径。(Nature Nanotechnology DOI: 10.1038/s41565-018-0083-5)


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