研究背景
納米帶是二維材料的納米寬條，它們在凝聚態物理中是一種獨特的體系。它們結合了低維材料的奇異電子結構和增強的暴露邊緣數量，在這些邊緣可能會出現包括超長自旋相干時間、量子限制效應和拓撲保護態等現象。對于這一材料概念，一個令人興奮的前景是其沿著納米帶邊緣具有可調節的半導體電子結構和磁性，這是自旋電子學中關鍵的特性，如低能量非易失性晶體管。針對這一挑戰，英國劍橋大學Arjun Ashoka，Raj Pandya研究團隊報道了磷烯納米帶（PNRs）的磁性和半導體特性。他們展示了在室溫下，PNRs薄膜表現出來自其邊緣的宏觀磁性，內部磁場約為240至850毫特。溶液中，巨大的磁各向異性使PNRs在低于1特斯拉的磁場下能夠對齊。研究者通過利用這一對齊效應，他們發現光激發后，能量迅速被導向一個局部化在磁性邊緣并與對稱禁阻的邊緣聲子模式耦合的態。該研究工作在“Nature”期刊上發表了題為“Magnetically and optically active edges in phosphorene nanoribbons”的最新論文。該結果確立了PNRs作為一個研究室溫下磁性與半導體基態相互作用的有趣體系，并為在量子電子學中使用低維納米材料提供了一個跳板。
研究亮點
- 實驗首次報道了磷烯納米帶（PNRs）在室溫下表現出的磁性和半導體特性，展示了由邊緣磁性引起的宏觀磁性，內部磁場范圍在240至850毫特之間。
- 實驗對PNRs的溶液和基底上的研究，實驗發現PNRs在低于1特斯拉的磁場下能夠對齊，顯示出巨大的磁各向異性。利用這一對齊效應，實驗進一步探討了光激發后的能量轉移現象，能量迅速集中在磁性邊緣并與對稱禁阻的邊緣聲子模式耦合。
- 研究還揭示，PNRs展示出優異的磁性和光學特性，尤其是在光照下的快速能量傳遞過程。該實驗表明，PNRs為研究磁性與半導體基態的相互作用提供了一個新的有趣體系，且具有潛力用于量子電子學領域。
圖文解讀
圖1: 磷烯納米帶phosphorene nanoribbons ，PNR形狀、磁性和光學各向異性。圖2: 電子順磁共振electron paramagnetic resonance，EPR和鐵磁共振ferromagnetic resonance，FMR局部磁相關性。
結論展望
總之，本文通過SQUID磁力計和連續波電子順磁共振（cwEPR）實驗，證實了磷烯納米帶（PNRs）薄膜在室溫下由于邊緣效應而表現出宏觀磁性。在溶液中，巨大的磁各向異性使PNRs能夠容易地沿著磁場方向對齊。光激發后，能量迅速遷移到一個局部化在PNR邊緣的態，磁性可能就存在于此。本研究成果為進一步理解PNRs的磁性特性（如自旋相干時間、帶寬或應變的影響、厚度等）、構建單個納米帶器件以及更多不同應用（如非線性光學元件或納米機器人）提供了廣泛的機會。PNR邊緣的光學活性特性為納米尺度的磁性-半導體接口提供了特別有前景的途徑，這對于低能耗計算以及細化低維度磁性理論至關重要。Ashoka, A., Clancy, A.J., Panjwani, N.A. et al. Magnetically and optically active edges in phosphorene nanoribbons. Nature 639, 348–353 (2025).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08563-x
