Nye Fermi-buer kunne give en ny vej til elektronik

Nyopdagede Fermi-buer, der kan styres gennem magnetisme, kan være fremtiden for elektronik baseret på elektronspin. Disse nye Fermi-buer blev opdaget af et team af forskere fra Ames Laboratory og Iowa State University, samt samarbejdspartnere fra USA, Tyskland og Storbritannien. Under deres undersøgelse af det sjældne jordarters monopnictid NdBi (neodym-bismuth) opdagede forskerholdet en ny type Fermi-bue, der dukkede op ved lave temperaturer, når materialet blev antiferromagnetisk, dvs. nabospin peger i modsatte retninger.

Fermi-overflader i metaller er en grænse mellem energitilstande, der er optaget og ubesat af elektroner. Fermi-overflader er normalt lukkede konturer, der danner former som kugler, ægforme osv. Elektroner på Fermi-overfladen styrer mange egenskaber ved materialer såsom elektrisk og termisk ledningsevne, optiske egenskaber osv. I yderst sjældne tilfælde indeholder Fermi-overfladen afbrudte segmenter, der er kendt som Fermi-buer og er ofte forbundet med eksotiske tilstande som superledning.

Adam Kaminski, leder af forskerholdet, forklarede, at nyopdagede Fermi-buer er resultatet af elektronbåndspaltning, som skyldes den magnetiske rækkefølge af Nd-atomer, der udgør 50% af prøven. Den elektronopdeling, som holdet observerede i NdBi, var dog ikke typisk båndopdelingsadfærd.

Der er to etablerede typer båndopdeling, Zeeman og Rashba. I begge tilfælde bevarer båndene deres oprindelige form efter opdeling. Båndopdelingen, som forskerholdet observerede, resulterede i to bånd med forskellige former. Efterhånden som prøvens temperatur faldt, steg adskillelsen mellem disse bånd, og båndformerne ændrede sig, hvilket indikerer en ændring i fermionmassen.

"Denne opdeling er meget, meget usædvanlig, fordi adskillelsen mellem disse bånd ikke kun øges, men de ændrer også krumningen," sagde Kaminski. "Dette er meget anderledes end noget andet, som folk har observeret til dato."

De tidligere kendte tilfælde af Fermi-buer i Weyl-halvmetaller fortsætter, fordi de er forårsaget af materialets krystalstruktur, som er svær at kontrollere. Imidlertid er Fermi-buerne, som holdet opdagede i NdBi, induceret af magnetisk rækkefølge af Nd-atomerne i prøven. Denne rækkefølge kan let ændres ved at anvende et magnetfelt og muligvis ved at ændre Nd-ionen til en anden sjælden jordart-ion såsom Cerium, Praseodymium eller Samarium (Ce, Pr eller Sm). Da Ames Lab er verdensledende inden for forskning i sjældne jordarter, kan sådanne ændringer i sammensætning let udforskes.

"Denne nye type Fermi-buer dukker op, når prøven bliver antiferromagnetisk. Så når prøven udvikler magnetisk orden, dukker disse buer bare op tilsyneladende ud af ingenting," sagde Kaminski.

Ifølge Kaminski er en anden vigtig egenskab ved disse nye Fermi-buer, at de har det, der kaldes spin-tekstur. I normale metaller er hver elektronisk tilstand optaget af to elektroner, en med et spin op, en med et spin ned, så der er ikke noget netto spin. De nyopdagede Fermi-buer har en enkelt orientering af spin på hvert af deres punkter. Da de kun eksisterer i en magnetisk ordnet tilstand, kan lysbuerne tændes og slukkes meget hurtigt ved at påføre en magnetisk impuls, for eksempel fra en ultrahurtig laser.

"At have sådan en spindekoration eller spin-tekstur er vigtigt, fordi en af ​​missionerne i elektronik er at bevæge sig væk fra den ladningsbaserede elektronik. Alt, hvad du bruger nu, er baseret på at flytte elektroner i ledninger, og det forårsager spredning," sagde Kaminski.

Evnen til at kontrollere elektronernes spin relaterer sig til en ny gren af ​​informationsteknologi kaldet spintronics, som er baseret på elektronspin snarere end på at flytte ladninger langs ledninger.

"I stedet for at flytte en ladning, vender vi enten orienteringen af ​​spindet eller forårsager udbredelsen af ​​spindet langs ledningen," forklarede Kaminski. "Disse spinændringer bør teknisk set ikke sprede energi, så det koster ikke meget energi at gemme information som spin eller at flytte information som spin."

Kaminski understregede vigtigheden af ​​denne opdagelse for feltet, men han sagde, at der stadig er meget arbejde, der skal gøres, før disse resultater kan bruges i ny teknologi.

Denne forskning diskuteres yderligere i papiret "Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnet," forfattet af B. Schrunk, Y. Kushnirenko, B. Kuthanazhi, J. Ahn, L.-L. Wang, E. O'Leary, K. Lee, A. Eaton, en. Fedorov, R. Lou, V. Voroshnin, O.J. Clark, J. Sanchez-Barriga, S.L. Bud'ko, R.-J. Slager, P.C. Canfield og A. Kaminski; og udgivet i Nature . + Udforsk yderligere

Udlæsning af et antiferromagnetisk spintroniksystem ved hjælp af stærk udvekslingskobling