新的费米弧可以为电子产品提供新的途径

新发现的可以通过磁性控制的费米弧可能是基于电子自旋的电子学的未来。 这些新的费米弧是由来自艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的一组研究人员以及来自美国、德国和英国的合作者发现的。 在对稀土单宁Compound NdBi(钕-铋)的研究过程中,研究小组发现了一种新型的费米弧,这种弧在材料变为反铁磁性时会在低温下出现,即相邻的自旋指向相反的方向。

金属中的费米面是电子占据和未占据的能态之间的边界。 费米面是通常闭合的轮廓,形成球形、卵形等形状。费米面上的电子控制材料的许多特性,例如导电性和导热性、光学特性等。在极少数情况下,费米面包含断开的片段被称为费米弧,通常与超导等奇异状态有关。

研究小组负责人亚当·卡明斯基解释说,新发现的费米弧是电子能带分裂的结果,这是由占样本 50% 的钕Atom的磁性顺序造成的。 然而,该团队在 NdBi 中观察到的电子分裂并不是典型的能带分裂行为。

有两种既定类型的频带分裂,塞曼和拉什巴。 在这两种情况下,带在分裂后都保持其原始形状。 研究小组观察到的条带分裂导致了两条不同形状的条带。 随着样品温度的降低,这些带之间的分离增加并且带形状发生变化,表明费米子质量发生了变化。

“这种分裂非常非常不寻常,因为这些带之间的分离不仅增加了,而且它们也改变了曲率,”卡明斯基说。 “这与人们迄今为止观察到的任何其他事情都非常不同。”

先前已知的外尔半金属中的费米弧案例仍然存在,因为它们是由难以控制的材料的晶体结构引起的。 然而,该团队在 NdBi 中发现的费米弧是由样品中 Nd Atom的磁性排序引起的。 这个顺序可以很容易地通过施加磁场来改变,并且可能通过将 Nd 离子改变为另一种稀土离子,例如铈、镨或钐(Ce、Pr ​​或 Sm)。 由于艾姆斯实验室是稀土研究领域的世界领先者,因此可以轻松探索此类成分变化。

“每当样品变成反铁磁性时,就会出现这种新型的费米弧。因此,当样品发展出磁序时,这些弧似乎无处不在,”卡明斯基说。

根据卡明斯基的说法,这些新费米弧的另一个重要特征是它们具有所谓的自旋纹理。 在普通金属中,每个电子状态由两个电子占据,一个自旋向上,一个自旋向下,因此没有净自旋。 新发现的费米弧在它们的每个点上都有单一的自旋方向。 由于它们仅以磁性有序状态存在,因此可以通过施加磁脉冲(例如来自超快激光器的磁脉冲)非常快速地打开和关闭电弧。

“拥有这样的自旋装饰或自旋纹理很重要,因为电子学的任务之一是远离基于电荷的电子学。你现在使用的一切都是基于电线中移动的电子,这会导致耗散,”卡明斯基说。

控制电子自旋的能力与称为自旋电子学的一个新的信息技术分支有关,它基于电子自旋而不是沿着导线移动电荷。

“我们不是移动电荷,而是改变自旋的方向,或者导致自旋沿着导线传播,”卡明斯基解释说。 “从技术上讲,这些自旋变化不应该消耗能量,因此将信息存储为自旋或将信息作为自旋移动并不需要大量能量。”

Kaminski 强调了这一发现对该领域的重要性,但他表示,在将这些发现用于新技术之前,还有很多工作要做。

晶体生长和表征得到了拓扑半金属促进中心 (CATS) 的支持,该中心是由美国能源部基础能源科学办公室资助的能源前沿研究中心。

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材料 由…提供 美国能源部/艾姆斯实验室. 注意:内容可能会根据样式和长度进行编辑。

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