Forskere finder en ny måde at identificere, manipulere topologiske metaller til spintronics

Topologiske materialer er blevet et varmt emne i kvantematerialeforskning, da de har potentielle anvendelser til kvanteinformation og spintronik. Dette skyldes, at topologiske materialer har mærkelige elektroniske tilstande, hvor en elektrons momentum er forbundet med dens spin-orientering, noget, der kan udnyttes på nye måder til kodning og overførsel af information. En type topologisk materiale, kaldet et magnetisk Weyl -halvmetal, tiltrækker interesse på grund af dens potentielle evne til at blive manipuleret med magnetiske felter.

Fordi disse materialer er så nye, imidlertid, det har været svært for forskere at identificere og karakterisere Weyl -halvmetaller. En nylig teori- og modelleringsundersøgelse fra forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory giver muligvis ikke kun forskere en lettere måde at finde Weyl -semimetaller, men også en måde at nemmere manipulere dem til potentielle spintroniske enheder.

Tidligere forsøg på at undersøge Weyl-halvmetaller var baseret på en kompliceret teknik, der krævede en røntgen- eller laserkilde og omhyggeligt forberedte prøver. For at forenkle observationen af ​​halvmetaller, Argonne -forskere foreslog i stedet at bruge forholdet mellem to væsentlige egenskaber - elektronisk spin og ladning - til at afsløre arten af ​​de topologiske materialer og give forskere nye måder at bruge dem på.

"Vi vil gerne vide, om der er en signatur i halvmetallet, som vi kan se, hvis vi forsøger at føre en strøm gennem det, noget, der er karakteristisk for, at det er et Weyl -halvmetal, " sagde Argonne-materialeforsker Olle Heinonen.

For at generere en ladestrøm i Weyl-halvmetallet, Heinonen foreslog først at injicere en spin -strøm ved grænsefladen mellem et normalt metal og Weyl -halvmetallet. Mens spin -strømmen involverede en tilstrømning af elektroner med spins peget i en bestemt retning, der blev ikke injiceret nettoladninger, fordi elektroner med modsat spin blev trukket den anden vej.

"Du kan tænke på det som at have to svømmere, der går modsatte veje i en swimmingpool, en laver freestyle og en laver rygsvømning, "sagde han." Der er ingen netret svømningsretning, men der er en netto mængde freestyle. "

Ved at flytte centrifugeringer fortrinsvis fra det normale metal til Weyl -halvmetallet, forskerne fandt ud af, at semimetallet var nødvendigt for at finde måder at rumme elektroner med særlige spins i dens elektroniske struktur. "Du kan ikke bare stikke en hvilken som helst elektron, hvor du vil, "Sagde Heinonen.

I stedet, forskerne fandt ud af, at elektronerne har en tendens til at omfordele deres spins til de steder, der er tilgængelige og energisk gunstige. "Du er måske ikke i stand til at passe hele dit spin ind i en bestemt elektronisk tilstand, men du kan passe til fraktionerede mængder spin i forskellige tilstande, der udgør det samme beløb, "Sagde Heinonen." Tænk, hvis du har en bølge, der rammer en sten; du stadig har den samme mængde vand i bevægelse, bare i forskellige retninger. "

Når elektronen "bryder op" på denne måde, når den støder på Weyl -halvmetallet, de forskellige resulterende elektroniske tilstande bevæger sig med forskellige hastigheder, generere en ladestrøm. Afhængigt af retningen, som denne strøm måles i - f.eks. fra top til bund eller fra venstre mod højre - videnskabsmænd så forskellige resultater.

"Hvordan elektronen bryder op, er på en meget følsom måde relateret til forholdet mellem energi, momentum og spin i den magnetiske Weyl-halvmetal, "Sagde Heinonen." Som et resultat, hvordan retningen af ​​ladestrømmen ændres er direkte relateret til egenskaberne af Weyl -halvmetallet, giver dig mulighed for at bestemme dens topologiske egenskaber. "

Når man ser anisotropien, eller forskellen i ladestrøm, når den måles i forskellige retninger i Weyl-halvmetallet, giver forskere to oplysninger. Først, det afslører Weyl -karakteren af ​​materialet, men måske endnu vigtigere giver det forskere mulighed for at justere materialets egenskaber. "Det svar, vi ser, er unikt interessant, fordi det er et Wey lsemimetal, og fordi det har denne interessante anisotrope respons, vi kan nok udnytte det på nogle enheder, " sagde Heinonen. "Vi er en lille smule foran kurven, hvad angår folk, der rent faktisk fremstiller mange Weyl-halvmetaller, men dette giver os en billig måde at teste og eksperimentere med en type materiale, der sandsynligvis vil blive mere populær. "

Et papir baseret på undersøgelsen, "Spin-to-charge-konvertering i magnetiske Weyl-halvmetaller, "optrådte i 1. november -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve . Argonnes Ivar Martin, Shulei Zhang, nu assisterende professor i fysik ved Case Western Reserve University, og Anton Burkov fra University of Waterloo, samarbejdede også om undersøgelsen.