Новый способ идентификации топологических металлов для спинтроники
Топологические материалы стали горячей темой в исследованиях квантовых материалов, поскольку они имеют потенциальное применение для квантовой информации и спинтроники. Это связано с тем, что топологические материалы имеют странные электронные состояния, в которых импульс электрона связан с его ориентацией спина, что можно использовать новыми способами для кодирования и передачи информации. Один тип топологического материала, называемый магнитным полуметаллом Вейля, вызывает интерес из-за его потенциальной способности манипулировать магнитными полями.
Однако, поскольку эти материалы настолько новы, ученым было трудно определить и охарактеризовать полуметаллы Вейля. Недавнее исследование теории и моделирования, проведенное учеными из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, может не только дать исследователям более простой способ поиска полуметаллов Вейля, но и способ более легко манипулировать ими для потенциальных устройств спинтроники.
Предыдущие попытки исследования полуметаллов Вейля основывались на сложной технике, требующей рентгеновского или лазерного источника и тщательно подготовленных образцов. Чтобы упростить наблюдение за полуметаллами, исследователи Аргонна вместо этого предложили использовать связь между двумя существенными свойствами — электронным вращением и зарядом — чтобы раскрыть природу топологических материалов и дать ученым новые способы их использования.
«Мы хотим знать, есть ли какая-то подпись в полуметалле, которую мы можем увидеть, если мы попытаемся пропустить ток через него, что характерно для него, как полуметалла Вейля», — сказал ученый из Аргоннского университета Олле Хейнонен.
Для генерации тока заряда в полуметалле Вейля Хейнонен предложил сначала ввести спиновый ток на границе между нормальным металлом и полуметаллом Вейля. В то время как спиновый ток включал приток электронов со спинами, направленными в определенном направлении, не было введено никаких чистых зарядов, потому что электроны противоположного спина притягивались в другую сторону
«Вы можете думать об этом, как о двух пловцах, идущих в разные стороны в плавательном бассейне, один из которых занимается вольным стилем, а другой — на спине», — сказал он. «Нет чистого направления плавания, но есть чистое количество фристайла».
Перемещая спины преимущественно из нормального металла в полуметалл Вейля, исследователи обнаружили, что полуметалл должен был найти способы размещения электронов с конкретными спинами в его электронной структуре. «Вы не можете просто засунуть любой электрон туда, куда хотите», — сказал Хейнонен.
Вместо этого исследователи обнаружили, что электроны, как правило, перераспределяют свои спины в те места, которые доступны и энергетически выгодны. «Возможно, вы не сможете уместить все ваше вращение в одном конкретном электронном состоянии, но вы можете установить дробное количество вращения в разных состояниях, которые составляют в целом одинаковое количество», — сказал Хейнонен. «Представьте, что у вас есть волна, которая ударяется о камень; у вас все равно остается такое же количество воды, движущейся в разных направлениях».
Когда электрон «распадается» таким образом, когда он сталкивается с полуметаллом Вейля, различные возникающие электронные состояния движутся с разными скоростями, генерируя зарядный ток. В зависимости от направления, в котором измеряется этот ток — скажем, сверху вниз или слева направо — ученые видели разные результаты.
«То, как электрон распадается, очень чувствительно связано с отношениями между энергией, импульсом и спином в магнитном полуметалле Вейля», — сказал Хейнонен. «В результате то, как изменяется направление тока заряда, напрямую связано со свойствами полуметалла Вейля, что позволяет определить его топологические характеристики».
Наблюдение анизотропии или разницы тока заряда при измерении в разных направлениях в полуметалле Вейля дает исследователям две части информации. Во-первых, он раскрывает природу материала Вейля, но, возможно, что более важно, он позволяет исследователям настраивать свойства материала. «Ответ, который мы видим, уникально интересен, потому что это Wey lsemimetal, и, поскольку он имеет этот интересный анизотропный ответ, мы, вероятно, можем использовать его в некоторых устройствах», — сказал Хейнонен. «Мы немного опережаем кривую, поскольку люди фактически делают много полуметаллов Вейля, но это дает нам дешевый способ тестирования и экспериментов с типом материала, который, вероятно, станет более популярным».
Статья, основанная на исследовании «Преобразование спина в заряд в магнитных полуметаллах Вейля», появилась в выпуске Physical Review Letters от 1 ноября. Аргонн Ивар Мартин, Шулей Чжан, в настоящее время доцент физики в Университете Западного резерва Кейса, и Антон Бурков из Университета Ватерлоо, также участвовали в исследовании.
Источник истории:
Материалы предоставлены DOE / Argonne National Laboratory . Оригинал написан Джаредом Сагоффом. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.
Ссылка на журнал :
- Стивен С.-Л. Чжан, Антон А. Бурков, Ивар Мартин, Олле Г. Хейнонен. Преобразование спина в заряд в магнитных полуметаллах Вейля . Physical Review Letters , 2019; 123 (18) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.187201
