該技術(shù)有望制造出僅有微米尺寸的微波器件。

美國科學(xué)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(gè)看似無關(guān)的物理領(lǐng)域之間的聯(lián)系，有望推動(dòng)無線技術(shù)的微型化。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學(xué)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(dòng)電子相同的方程。他們認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)可以改進(jìn)用于無線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的微波技術(shù)，并可能有助于設(shè)計(jì)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(xué)和二維磁性行為之間存在類比關(guān)系，這一點(diǎn)并不顯而易見，我們?nèi)匀粚@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(gòu)成石墨的基本單元，并因其獨(dú)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(xué)生，他在研究超材料時(shí)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(yùn)動(dòng)方式。Kaman 說："石墨烯的獨(dú)特之處在于其傳導(dǎo)電子組成了無質(zhì)量的波，所以我很好奇，如果改變磁子材料的物理幾何結(jié)構(gòu)使其看起來像石墨烯，它是否會(huì)產(chǎn)生類似石墨烯的行為。"

磁子，也稱為自旋波，是材料內(nèi)部的微觀磁矩共同振蕩時(shí)產(chǎn)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(gè)與石墨烯相似的特性，但這種類比比我預(yù)期的要深刻和豐富得多。"

一個(gè)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種磁子晶體——一種具有重復(fù)圖案設(shè)計(jì)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(gòu)成，上面蝕刻有按六邊形晶格排列的孔洞。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)計(jì)算自旋波如何穿過這種結(jié)構(gòu)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)自旋波的能量和運(yùn)動(dòng)遵循與描述石墨烯電子相同的數(shù)學(xué)方程。此外，計(jì)算還揭示了九個(gè)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(zhì)量電子波。而另一些則對應(yīng)于局域態(tài)，甚至表現(xiàn)出拓?fù)湫?yīng)，這些現(xiàn)象可以產(chǎn)生高度魯棒的波傳輸。

Hoffmann 表示，這項(xiàng)工作直接將一個(gè)工程化的自旋系統(tǒng)與一個(gè)基礎(chǔ)物理模型聯(lián)系起來。"眾所周知，磁子晶體會(huì)產(chǎn)生大量依賴于結(jié)構(gòu)和幾何的復(fù)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(gè)系統(tǒng)中的石墨烯類比為觀察到的行為提供了一個(gè)清晰的解釋。"

科學(xué)家們相信，這一發(fā)現(xiàn)可能在無線和蜂窩網(wǎng)絡(luò)中使用的微波技術(shù)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。據(jù) Hoffman 介紹，其中一種設(shè)備是微波環(huán)行器，它允許微波無線電信號僅沿一個(gè)方向傳輸。他在一份新聞稿中總結(jié)道："這些設(shè)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(xiàng)研究已發(fā)表在《物理評論X》期刊上。

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