科学家找到了识别操纵自旋电子学拓扑金属的新方法

拓扑材料已成为量子材料和自旋电子学的潜在应用，已成为量子材料研究的热门话题。这是因为拓扑材料具有奇怪的电子状态，其中电子的动量与其自旋方向相关联，可以用新的方式利用这种状态来编码和传输信息。一种类型的拓扑材料，称为磁性Weyl半金属，由于其潜在的磁场处理能力而备受关注。

但是，由于这些材料太新，科学家很难鉴定和表征Weyl半金属。美国能源部(DOE)阿尔贡国家实验室的科学家最近进行的理论和建模研究，不仅可以为研究人员提供一种更简单的发现Weyl半金属的方法，而且还可以为潜在的自旋电子设备更轻松地操纵它们。

以前研究Weyl半金属的尝试依赖于复杂的技术，该技术需要X射线或激光源以及精心准备的样品。为了简化对半金属的观察，阿贡大学的研究人员建议使用两种基本性质(电子自旋和电荷)之间的关系来揭示拓扑材料的性质，并为科学家提供新的使用方法。

Argonne材料科学家Olle Heinonen表示：“我们想知道半金属中是否存在某种特征，如果我们试图通过它，我们就能看到它的存在，这是Weyl半金属的特征。”

为了在Weyl半金属中产生充电电流，Heinonen首先建议在普通金属和Weyl半金属之间的界面处注入自旋电流。尽管自旋电流涉及电子的涌入，其自旋指向特定方向，但由于相反方向的电子被另一方向拉动，因此没有注入净电荷。

他说：“你可以把它想象成让两个游泳者在游泳池里相反地运动，一个进行自由泳，另一个进行仰泳。” “没有游泳的净方向，但是有大量的自由泳。”

通过优先将自旋从正常金属转移到Weyl半金属中，研究人员发现，半金属需要找到在电子结构中容纳具有特定自旋的电子的方法。海诺宁说：“你不能随便把任何电子粘在任何地方。”

相反，研究人员发现电子趋向于将自旋重新分布到那些可用且在能量上有利的地方。Heinonen说：“您可能无法使所有自旋都适合一种特定的电子状态，但是您可以使不同状态下的分数自旋适合总计相同的数量。” “想象一下，如果有波浪撞击岩石;您仍然沿相同的方向移动相同量的水。”

当电子遇到Weyl半金属时，以这种方式“分解”时，不同的电子状态将以不同的速度传播，从而产生充电电流。根据测量电流的方向(例如，从上到下或从左到右)，科学家看到了不同的结果。

希诺宁说：“电子的分解方式与磁Weyl半金属中的能量，动量和自旋之间的关系非常敏感。” “结果，充电电流的方向如何变化与Weyl半金属的特性直接相关，因此您可以确定其拓扑特性。”

观察各向异性或在Weyl 半金属中沿不同方向测量时的充电电流差异，为研究人员提供了两条信息。首先，它揭示了材料的Weyl性质，但更重要的是，它允许研究人员调整材料的特性。Heinonen说：“我们看到的响应非常有趣，因为它是Wey半金属，而且由于它具有有趣的各向异性响应，因此我们可能可以在某些设备中利用它。” “就人们实际制造许多Weyl半金属而言，我们领先于曲线，但这为我们提供了一种便宜的方法来测试和试验一种可能会变得越来越流行的材料。”

基于该研究的论文“磁性Weyl半金属中的自旋至电荷转换”发表在11月1日的《物理评论快报》上。Argonne的Ivar Martin，现任Case Western Reserve大学物理学助理教授的Zhang Shuii Zhang和滑铁卢大学的Anton Burkov也进行了这项研究。

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