二维材料在电子与磁性方面的特性被认为具备广泛应用前景。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院研究团队近日在《Physical Review X》发表论文称，经过工程化设计的二维磁性系统可以遵循与石墨烯中移动电子相同的方程，从而在二维电子学与二维磁性之间建立起一套数学映射。
将二维磁性系统与石墨烯方程对应
论文第一作者、材料科学与工程专业研究生Bobby Kaman表示，二维电子学与二维磁性行为之间的类比并不直观，但研究显示这种对应关系成立。研究团队指出，石墨烯的发现推动了二维电子学的深入研究，而他们的工作表明，一类研究相对较少的材料体系也可遵循相同的基本物理规律。
从超材料思路出发设计磁振结构
研究源于Kaman在Axel Hoffmann教授课题组对超材料的研究。超材料通过设计中观结构实现原子尺度结构难以呈现的新行为。Kaman注意到，石墨烯中的电子以及磁振材料中的微观磁化都可表现为波动形式，因此提出问题：能否通过改变磁振材料的物理几何结构，使其呈现类似石墨烯的行为。
Kaman称，他最初预期只能获得少量与石墨烯相似的特征，但最终发现这种类比“更深刻、更丰富”。
计算显示出现九条能带与多种行为
研究团队考察的系统为一层薄膜，其中微观磁矩（自旋）排列在带有六角形分布孔洞的结构中。通过计算传播扰动（自旋波）的能量，研究人员发现该系统呈现出与石墨烯电子相同的数学行为。
同时，研究结果显示该系统并非仅对应单一的“简单类比”。团队在该结构中识别出九条不同的能带，使多种行为可以并存：其中包括类似石墨烯电子波的无质量自旋波；此外还存在对应局域态的低色散能带，并观察到跨能带的拓扑效应。
指向微波器件微型化应用
Hoffmann表示，这项工作的突出之处在于将工程化设计的自旋系统与基础物理模型直接联系起来。他指出，磁振晶体以产生大量依赖结构与几何的现象而著称，其中许多现象虽已被归类但尚未被真正理解，而石墨烯类比为相关行为提供了更清晰的解释。
研究团队称，该系统除基础研究意义外，还可能对无线与蜂窝网络所使用的微波技术具有应用价值。Hoffmann举例称，“微波循环器”是一类只允许微波信号单向传播的器件，传统装置通常体积较大；而该磁振系统有望将微波器件缩小到微米级尺度。
据介绍，Hoffmann课题组已就相关微波器件概念申请专利。Jinho Lim和Yingkai Liu也参与了该项研究。
