新的費米弧可以為電子產品提供新的途徑

新發現的可以通過磁性控制的費米弧可能是基於電子自旋的電子學的未來。 這些新的費米弧是由來自艾姆斯實驗室和愛荷華州立大學的一組研究人員以及來自美國、德國和英國的合作者發現的。 在對稀土單寧Compound NdBi（釹-鉍）的研究過程中，研究小組發現了一種新型的費米弧，這種弧在材料變為反鐵磁性時會在低溫下出現，即相鄰的自旋指向相反的方向。

金屬中的費米面是電子佔據和未佔據的能態之間的邊界。 費米面是通常閉合的輪廓，形成球形、卵形等形狀。費米面上的電子控制材料的許多特性，例如導電性和導熱性、光學特性等。在極少數情況下，費米面包含斷開的片段被稱為費米弧，通常與超導等奇異狀態有關。

研究小組負責人亞當·卡明斯基解釋說，新發現的費米弧是電子能帶分裂的結果，這是由占樣本 50% 的釹Atom的磁性順序造成的。 然而，該團隊在 NdBi 中觀察到的電子分裂並不是典型的能帶分裂行為。

有兩種既定類型的頻帶分裂，塞曼和拉什巴。 在這兩種情況下，帶在分裂後都保持其原始形狀。 研究小組觀察到的條帶分裂導致了兩條不同形狀的條帶。 隨著樣品溫度的降低，這些帶之間的分離增加並且帶形狀發生變化，表明費米子質量發生了變化。

「這種分裂非常非常不尋常，因為這些帶之間的分離不僅增加了，而且它們也改變了曲率，」卡明斯基說。 「這與人們迄今為止觀察到的任何其他事情都非常不同。」

先前已知的外爾半金屬中的費米弧案例仍然存在，因為它們是由難以控制的材料的晶體結構引起的。 然而，該團隊在 NdBi 中發現的費米弧是由樣品中 Nd Atom的磁性排序引起的。 這個順序可以很容易地通過施加磁場來改變，並且可能通過將 Nd 離子改變為另一種稀土離子，例如鈰、鐠或釤（Ce、Pr ​​或 Sm）。 由於艾姆斯實驗室是稀土研究領域的世界領先者，因此可以輕鬆探索此類成分變化。

「每當樣品變成反鐵磁性時，就會出現這種新型的費米弧。因此，當樣品發展出磁序時，這些弧似乎無處不在，」卡明斯基說。

根據卡明斯基的說法，這些新費米弧的另一個重要特徵是它們具有所謂的自旋紋理。 在普通金屬中，每個電子狀態由兩個電子佔據，一個自旋向上，一個自旋向下，因此沒有凈自旋。 新發現的費米弧在它們的每個點上都有單一的自旋方向。 由於它們僅以磁性有序狀態存在，因此可以通過施加磁脈衝（例如來自超快激光器的磁脈衝）非常快速地打開和關閉電弧。

「擁有這樣的自旋裝飾或自旋紋理很重要，因為電子學的任務之一是遠離基於電荷的電子學。你現在使用的一切都是基於電線中移動的電子，這會導致耗散，」卡明斯基說。

控制電子自旋的能力與稱為自旋電子學的一個新的信息技術分支有關，它基於電子自旋而不是沿著導線移動電荷。

「我們不是移動電荷，而是改變自旋的方向，或者導致自旋沿著導線傳播，」卡明斯基解釋說。 「從技術上講，這些自旋變化不應該消耗能量，因此將信息存儲為自旋或將信息作為自旋移動並不需要大量能量。」

Kaminski 強調了這一發現對該領域的重要性，但他表示，在將這些發現用於新技術之前，還有很多工作要做。

晶體生長和表徵得到了拓撲半金屬促進中心 (CATS) 的支持，該中心是由美國能源部基礎能源科學辦公室資助的能源前沿研究中心。

有所作為：贊助機會

故事來源：

材料 由…提供 美國能源部/艾姆斯實驗室. 注意：內容可能會根據樣式和長度進行編輯。