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电子产品的未来：科学家发现一种新费米弧

日期： 2022-04-18
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来源：爱集微


近日，来自艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的一个研究小组及来自美国、德国和英国的合作者发现了一种新型费米弧。研究小组在对稀土单核化物NdBi（neodymium-bismuth）的研究中发现了一种新型费米弧，它在当材料变成反铁磁时并处于低温的条件下出现。
金属中的费米面是被电子占据和未被占据的能量状态之间的一个边界。费米面通常是封闭的轮廓，并形成球体、椭圆体等形状。位于费米面的电子控制着材料的许多特性如导电性和导热性、光学特性等。在极其罕见的情况下，费米表面包含不相连的部分，这些部分被称为费米弧，通常跟超导等奇异状态有关。
研究小组的负责人Adam Kaminski指出，新发现的费米弧是电子带分裂的结果，它是由占样品50%的Nd原子的磁序造成。然而，研究小组在NdBi中观察到的电子分裂并不是典型的带分裂行为。
有两种既定的带状分裂类型--Zeeman和Rashba。在这两种情况下，带子在分裂后都保持其原来的形状。研究小组观察到的带分裂导致了两个不同形状的带。随着样品温度的降低，这些带子之间的分离度增加，带子形状发生变化，这表明费米子质量发生了变化。
“这种分裂是非常非常不寻常的，因为不仅这些带子之间的分离度在增加，而且它们的曲率也在改变，”Kaminski说道，“这跟人们迄今为止观察到的其他任何情况都非常不同。”
以前已知的韦尔半金属中的费米弧的情况一直存在，因为它们是由材料的晶体结构引起的，而这种结构是很难控制的。然而研究小组在NdBi中发现的费米弧是由样品中Nd原子的磁性排序引起的。通过施加磁场以及可能通过将Nd离子换成另一种稀土离子如铈、镨或钐（Ce、Pr或Sm），则可以很容易地改变这种顺序。由于埃姆斯实验室在稀土研究方面处于世界领先地位，因此可以很容易地探索这种成分的变化。
“只要样品变成反铁磁性，这种新型的费米弧就会出现。因此，当样品出现磁性秩序时这些电弧就会出现，似乎是凭空出现的，”Kaminski说道。
据Kaminski介绍称，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。在正常的金属中，每个电子状态都被两个电子占据，一个自旋向上，一个自旋向下，所以没有净自旋。新发现的费米弧则在其每个点都有单一的自旋方向。由于它们只存在于磁有序的状态下，通过施加一个磁脉冲如来自超快激光的磁脉冲，这些电弧可以非常迅速地被打开和关闭。
“拥有这样的自旋装饰或自旋纹理是非常重要的，因为电子学的追求之一是摆脱基于电荷的电子学。你现在使用的一切都基于在电线中移动电子，这引发了耗散，”Kaminski说道。
控制电子自旋的能力跟信息技术的一个新分支有关，即自旋电子学--它是基于电子自旋而不是沿着电线移动电荷。
Kaminski解释道：“我们不是移动电荷，而是翻转自旋的方向，或导致自旋沿导线的传播。这些自旋变化在技术上不应该耗散能量，所以以自旋形式存储信息或以自旋形式移动信息不需要花费很多能量。”
Kaminski强调了这一发现对该领域的重要性，但他说在这些发现能被用于新技术之前仍有许多工作要做。
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