▲去台灣師範大學化學系助理教授劉沂欣主持的研究團隊發現，以化學合成製作的二維單層半導體材料，因原子鍵結對稱性下降，從而導致材料內電子擁有較大g因子值。（圖／台灣師範大學提供）
量子通訊是未來加密通訊的技術佈局重點，設法在一般環境中維持量子纏結與翻轉粒子自旋狀態是箇中關鍵，各國競相投入相關材料研發。台灣師範大學化學系助理教授劉沂欣主持跨領域研究團隊，運用化學合成方法製作二維單層半導體，可於室溫下呈現出強塞曼效應（Zeeman effect）和零場分裂能，論文成果刊登在《美國化學會期刊》（Journal of the American Chemical Society）。
量子通訊技術藉由改變粒子自旋狀態當作訊號，來傳送訊息。然而，在拓璞絕緣體、奇異超導體等較為人所知的量子材料中，想要翻轉粒子自旋方向，往往需要外加強度7、8特斯拉以上的大磁場、極低溫、高壓等嚴苛條件才能做到。劉沂欣團隊利用溶劑熱法，引入錳離子合成出稀磁性薄膜材料，則打破了上述條件限制，發現電子在此材料中擁有較大的g因子值（g值）。
劉沂欣說明，塞曼效應相當於電子在磁場中自旋狀態翻轉的現象，其強弱可從電子的g值判斷。假設給予粒子固定的能量，當g值越大時，要產生自旋翻轉所需的磁場就越小。其實，這並非此稀磁性薄膜材料第一次問世，但長年來關於此材料的特性研究少之又少，劉沂欣團隊從2015年開始，耗時五年結合國內外研究能量，才終於揭秘材料本身蘊含的獨特性質。
回想實驗過程，劉沂欣表示，起初團隊一直透過一些無機與有機的原子級摻雜實驗，來改變既有材料的性質，而這些做法也大多已有人嘗試過，「我想學生可能會失望，所以我要他們去做一些過去沒有的鑑定。我們用電子自旋共振法（EPR）的儀器去測試材料，發現電子的光譜跟以前測出來很不一樣。」
過去公開的研究顯示，同一個材料經EPR鑑定，只出現一組訊號，團隊從最低磁場的100高斯測到6000高斯，卻出現7組訊號，「我們完全沒有頭緒要怎麼去理解那些光譜。」好在團隊從未放棄，加上國外學者幫忙進行擬合分析，終於在兩年後，解開光譜背後的資訊，並且發現零場分裂能，這也解釋了為什麼該稀磁性薄膜材料的電子會擁有較大g值。
劉沂欣總結，他們在一連串實驗前從沒想過，僅僅是因為簡單的化學合成反應，使原子鍵結對稱性下降，就能產生那麼大的效應，導致電子與軌道之間的作用力變強，電子因而擁有較大的g值。只要外加低強度的磁場，就能改變其自旋狀態。
「很多化學故事都是機緣巧合。」劉沂欣如此形容這項研究成果，「雖然我們不是第一個（做出這個材料），我們希望提供大家一個想法，也許將來可以重新站在原始角度來設計出更多材料，以達到物理學家或材料學家想達成的效果。」最後，他也提到，下一步期盼能跟光電系所合作，為材料進行元件測試，確認常溫下塞曼效應的實際作用，才能去評估投入在量子技術上的可能性。該怎麼把這個溶液中合成的材料做成元件，又將是另一大挑戰。
論文原始連結： https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c05368
▲劉沂欣（第一排右邊數來第四位）主持的量子材料研究團隊包含數個實驗室合作，整合跨領域學者之專長，例如無機化學合成技術、同步輻射光源量測、高解析儀器鑑定、磁圓二色性等。（圖／台灣師範大學提供）
