化學合成量子材料 室溫下展現強塞曼效應-科學人雜誌 Back to Top
量子通訊

化學合成量子材料 室溫下展現強塞曼效應

2021/07/16 廖羿雯
化學合成的稀磁性薄膜材料突破了低溫、大磁場等量子材料作用的限制,開展更多元的量子材料研發方向。

▲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)

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