当狄拉克遇到沮丧的磁力时

凝聚态物理与材料科学领域有着密切的联系,因为新的物理学通常是在具有特殊原子排列的材料中发现的。在空间中具有原子重复单元的晶体可以具有特殊的图案,从而产生奇异的物理特性。具有多种外来特性的材料特别令人兴奋,因为它们为科学家提供了研究这些特性如何相互作用和相互影响的机会。这些组合会引起意想不到的现象,并增加基础技术研究的时间。

在本周《科学进展》上发表的一项新研究中,由美国,哥伦比亚,捷克共和国,英国组成的国际科学家团队由德国马克斯·普朗克微结构物理研究所的Mazhar N. Ali博士领导,表明:一种新材料,KV 3 Sb 5,具有前所未有的特性组合,从而导致有史以来最大的异常霍尔效应(AHE)之一;每2开尔文每厘米15,500西门子。

KV 3 Sb 5在约翰·霍普金斯大学的合著者Tyrel McQueen教授的实验室中发现,将四种特性组合为一种材料:狄拉克物理学,金属沮丧的磁性,二维剥落性(如石墨烯)和化学稳定性。

在这种情况下,狄拉克物理学涉及一个事实,即KV 3 Sb 5中的电子不仅是正常的电子。它们的移动速度非常快,有效质量非常低。这意味着他们的行为“像光”。它们的速度变得可以与光速相提并论,它们的表现似乎只占其应有质量的一小部分。这导致该材料是高度金属的,大约在15年前首次在石墨烯中显示。

当材料中的磁矩(想象成很小的条形磁铁,当您将它们聚集在一起时会相互旋转并从北向南排列)时,就会产生“沮丧的磁性” ,例如三角网。这种情况可能会使条形磁铁难以对齐,以致它们彼此抵消并且稳定。具有这种特性的材料很少见,尤其是金属材料。大多数沮丧的磁体材料都是电绝缘体,这意味着它们的电子是不可移动的。阿里博士说:“几十年来,金属制受挫磁体一直受到人们的追捧。据预测,它们可以容纳非常规的超导性,马约拉纳费米子,可用于量子计算等等。”

在结构上,KV 3 Sb 5具有二维分层结构,其中三角形钒和锑层松散地堆叠在钾层的顶部。这使作者可以简单地使用胶带一次剥离几层(又称薄片)。“这非常重要,因为它允许我们使用电子束光刻(例如用于制造计算机芯片,但使用电子而不是光子的光刻技术)从薄片中制造出微型设备并测量人们不容易大量测量的特性。”主要作者杨硕英评论说,来自马克斯·普朗克微结构物理研究所的研究人员说:“我们很高兴发现薄片对制造过程非常稳定,这使得使用和探索许多特性相对容易”。

有了这些特性组合,团队首先选择在材料中寻找异常的霍尔效应(AHE)。这种现象是具有各种电场(但没有磁场)的材料中的电子可以通过各种机制偏转90度。“从理论上讲,具有三角形自旋排列的金属可能具有显着的外在效应,因此这是一个很好的起点。”杨说。通过使用角分辨光电子能谱,微器件制造和低温电子性能测量系统,硕英和合著者王家佳(马克斯·普朗克微结构物理研究所)能够观察到有史以来最大的AHE。

AHE可以分为两大类:内在的和外在的。阿里解释说:“内在机制就像足球运动员通过将球或电子弯曲到一些防守球员周围(而不与他们碰撞)而传给队友一样。” “外在性就像球从防御者或磁散射中心弹起,并在碰撞后移向侧面。许多非本征控制的材料在场上随机排列防御者,或者磁散射中心在整个晶体中随机稀释。 KV 3锑5特殊之处在于,它具有3个排列成三角形网状的磁散射中心。在这种情况下,球从防御者群中散开,而不是从单个防御者中散开,并且比只有一个阻碍者更容易向侧面飞。”

这本质上是理论上自旋簇偏斜散射AHE机理,作者在本材料中对此进行了证明。阿里补充说:“无论如何,进入的球击中球簇的条件似乎很重要;你或我踢球与克里斯蒂安诺·罗纳尔多踢过球并不相同。” “罗纳尔多踢它时,它以更快的速度移动并以更快的速度从团簇中反弹出来,移动到侧面的速度比任何普通人都踢过它要快。这是笼统地说,狄拉克准粒子之间的区别(罗纳尔多(Ronaldo)与正常的电子(普通人)的关系,与为什么我们看到这么大的AHE有关,”阿里笑着解释道。

这些结果还可以帮助科学家通过这种成分的组合来识别其他材料。Wang指出:“重要的是,支配此AHE的相同物理学也可能会产生非常大的自旋霍尔效应(SHE)-在此,不是产生正交电荷电流,而是产生正交自旋电流。” “这对于基于电子自旋而不是电荷的下一代计算技术很重要”。

“这对我们来说是一种新的运动场材料:金属狄拉克物理学,沮丧的磁性,可剥落的和化学稳定的特性合而为一。有很多机会探索有趣,怪异的现象,例如非常规的超导性等等,”阿里兴奋地说道。 。

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