美國科學家利用石墨烯磁性突破，有望大幅縮小無線技術

該技術有望制造出僅有微米尺寸的微波器件。

美國科學家將磁自旋波與石墨烯中電子的行為聯系起來，展示了兩個看似無關的物理領域之間的聯系，有望推動無線技術的微型化。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學院的研究人員揭示了一種方法，可以使二維磁性系統遵循與二維石墨烯中可移動電子相同的方程。他們認為，這一發現可以改進用于無線和蜂窩網絡的微波技術，并可能有助于設計新型射頻器件，以及探索二維系統中的奇異行為。

該研究的主要作者、UIUC 博士生 Bobby Kaman 指出："二維電子學和二維磁性行為之間存在類比關系，這一點并不顯而易見，我們仍然對這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。它是構成石墨的基本單元，并因其獨特的電子特性而廣受歡迎。Kaman 是 UIUC 教授 Axel Hoffmann 博士研究小組的學生，他在研究超材料時意識到，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模仿電子在石墨烯中的運動方式。Kaman 說："石墨烯的獨特之處在于其傳導電子組成了無質量的波，所以我很好奇，如果改變磁子材料的物理幾何結構使其看起來像石墨烯，它是否會產生類似石墨烯的行為。"

磁子，也稱為自旋波，是材料內部的微觀磁矩共同振蕩時產生的集體波。這位博士生繼續說道："我原以為它可能只有少數幾個與石墨烯相似的特性，但這種類比比我預期的要深刻和豐富得多。"

一個令人驚訝的發現

為了驗證這個想法，研究團隊制造了一種磁子晶體——一種具有重復圖案設計的磁性材料，用于控制自旋波的傳播。它由一層薄薄的磁性薄膜構成，上面蝕刻有按六邊形晶格排列的孔洞。

當團隊計算自旋波如何穿過這種結構時，他們發現自旋波的能量和運動遵循與描述石墨烯電子相同的數學方程。此外，計算還揭示了九個不同的自旋波能帶。其中一些能帶的行為類似于石墨烯的無質量電子波。而另一些則對應于局域態，甚至表現出拓撲效應，這些現象可以產生高度魯棒的波傳輸。

Hoffmann 表示，這項工作直接將一個工程化的自旋系統與一個基礎物理模型聯系起來。"眾所周知，磁子晶體會產生大量依賴于結構和幾何的復雜現象，其中大多數現象只是被記錄下來，而并未被真正理解，"他說。"這個系統中的石墨烯類比為觀察到的行為提供了一個清晰的解釋。"

科學家們相信，這一發現可能在無線和蜂窩網絡中使用的微波技術中具有實際應用價值。據 Hoffman 介紹，其中一種設備是微波環行器，它允許微波無線電信號僅沿一個方向傳輸。他在一份新聞稿中總結道："這些設備通常體積較大，但我們研究的磁子系統有可能將微波器件微型化到微米尺度。"

這項研究已發表在《物理評論X》期刊上。

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