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科学家找到了识别、操纵自旋电子拓扑金属的新方法
【信息时间: 2019-11-28 14:51:36   阅读次数: 】【字号

 拓扑材料在量子信息和自旋电子学中具有潜在的应用前景,已成为量子材料研究的热点。这是因为拓扑材料具有奇怪的电子状态,在这种状态下,电子的动量与其自旋方向相联系,可以通过新的方式利用这种电子状态来编码和传输信息。一种叫做磁性Weyl半金属的拓扑材料由于其潜在的被磁场操纵的能力而引起了人们的兴趣。

然而,由于这些材料是如此新,科学家们很难识别和表征Weyl半金属。美国能源部阿贡国家实验室(DOE)的科学家最近进行的一项理论和模型研究,不仅可以让研究人员更容易地找到Weyl半金属,还可以让他们更容易地操纵它们,用于潜在的自旋电子器件。

以往研究Weyl半金属的尝试依赖于一种复杂的技术,需要X射线或激光源和精心制备的样品。为了简化对半金属的观察,阿贡的研究人员提出用电子自旋和电荷这两个基本性质之间的关系来揭示拓扑材料的性质,并给科学家提供新的使用方法。

阿贡材料公司的科学家奥利·海宁说:“我们想知道,如果我们试图让电流通过半金属,它是否有一些特征,属于Weyl半金属的特征。”

为了在Weyl半金属中产生电荷电流,海宁首先提出在普通金属和Weyl半金属的界面处注入自旋电流。虽然自旋电流涉及电子流入,自旋指向一个特定的方向,但没有净电荷注入,因为自旋相反的电子被拉向另一个方向。

他说:“你可以把它想象成两个游泳运动员在游泳池里朝相反的方向游,一个做自由泳,一个做仰泳。”

通过优先将自旋从普通金属移动到Weyl半金属中,研究人员发现,半金属需要找到在其电子结构中容纳具有特定自旋的电子的方法。你不能随便把任何电子粘在任何你想要的地方。

相反,研究人员发现,电子倾向于重新分配它们的自旋到那些可用的和能量上有利的地方。海宁说:“你可能无法将所有的自旋都拟合成一个特定的电子态,但你可以在不同的状态下拟合小部分的自旋,这些自旋加起来是相同的。”

当电子遇到Weyl半金属以这种方式“分裂”时,产生的不同电子态以不同的速度运动,产生电荷电流。根据测量电流的方向,科学家们从上到下或从左到右看到了不同的结果。

海宁说:“电子是如何分裂的,这与磁性Weyl半金属中能量、动量和自旋之间的关系非常敏感。因此,电荷电流的方向如何变化,直接关系到Weyl半金属的性质,使您能够确定其拓扑特性。”

在Weyl半金属中观察各向异性,或者在不同方向上测量电荷电流的差异,给了研究人员两条信息。首先,它揭示了材料的Weyl性质,但也许更重要的是,它使研究人员能够调整材料的性质。海诺说:“我们所看到的反应是非常有趣的,因为它是一种纯半金属,而且它有这种有趣的各向异性反应,我们可能可以在某些设备中利用它。”

这项研究发表在11月1日的《物理评论快报》上。

 


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