在許多材料中，存在磁場時電阻和電壓會發(fā)生變化，通常隨著磁場的旋轉(zhuǎn)而平穩(wěn)地變化。這種簡單磁響應(yīng)是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括非接觸電流傳感、運(yùn)動傳感和數(shù)據(jù)存儲。

在晶體中，電子的電荷和自旋排列和相互作用方式是這些效應(yīng)的基礎(chǔ)。利用這種被稱為對稱的排列特性，是為電子和新興自旋電子學(xué)(自旋電子學(xué))設(shè)計功能材料的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院(MIT)、法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)、加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)、香港科技大學(xué)(HKUST)和NIST中子研究中心的一組研究人員，在麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授約瑟夫?切克爾斯基(Joseph G. Checkelsky)的帶領(lǐng)下，發(fā)現(xiàn)了一種由鈰、鋁、鍺和硅組成的晶體中存在一種新型的磁驅(qū)動電響應(yīng)。

當(dāng)溫度低于5.6 k(-267.56攝氏度)時，當(dāng)磁場沿晶體高對稱方向精確對準(zhǔn)1度角時，這些晶體的電阻率會急劇提高。這種效應(yīng)，研究人員稱之為“奇異角磁電阻”，可以歸因于對稱性，特別是鈰原子磁矩的順序，其研究研究結(jié)果2019年6月21日發(fā)表在《科學(xué)》上。

新反應(yīng)與對稱性

就像一個老式的時鐘，設(shè)計成12點(diǎn)報時，指針沒有其他位置，只有當(dāng)磁場的方向或矢量與材料晶體結(jié)構(gòu)的高對稱性軸線成直線時，才會出現(xiàn)新發(fā)現(xiàn)的磁阻，把磁場從那個軸轉(zhuǎn)一個度以上，電阻就會急劇下降。切克爾斯基小組的研究科學(xué)家鈴木武仁(Takehito Suzuki)說：在這里，材料不像傳統(tǒng)材料那樣對磁場的單個成分做出反應(yīng)，而是對絕對矢量方向做出反應(yīng)。研究合成了這些材料，并發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，觀察到的急劇增強(qiáng)，稱之為“奇異角磁電阻”。意味著只有在這些條件下才能實現(xiàn)一種獨(dú)特的狀態(tài)。

磁阻是材料電阻隨外加磁場的變化而發(fā)生變化，一種被稱為巨磁電阻的相關(guān)效應(yīng)是現(xiàn)代計算機(jī)硬盤的基礎(chǔ)，其發(fā)現(xiàn)者在2007年獲得了諾貝爾獎。在這種材料中，所觀察到增強(qiáng)受沿晶體軸的磁場高度限制，這強(qiáng)烈地表明對稱性起著關(guān)鍵作用。為了闡明對稱性的作用，看到磁矩排列是至關(guān)重要的，鈴木鎮(zhèn)一和NIST研究員杰弗里·林恩在NIST中子研究中心(NCNR)用BT-7三軸光譜儀對磁矩進(jìn)行了粉末中子衍射研究。研究小組利用NCNR的中子衍射能力來確定材料磁結(jié)構(gòu)。

這對于理解材料的拓?fù)湫再|(zhì)和磁疇性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用?！巴?fù)錉顟B(tài)”是一種不受普通無序影響的狀態(tài)，這是揭示奇異響應(yīng)機(jī)理的一個關(guān)鍵因素?；谟^測到的有序模式，UCSB卡維里理論物理研究所教授兼永久成員Savary Balents和Leon Balents構(gòu)建了一個理論模型，其中由磁矩有序?qū)σ鸬淖园l(fā)對稱性破壞與磁場和拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)有關(guān)。通過對磁場方向的精確控制，可以實現(xiàn)均勻有序的低阻和高阻狀態(tài)之間切換。模型與實驗結(jié)果的一致性非常突出，這是理解什么是神秘的實驗觀察的關(guān)鍵。

這種現(xiàn)象的普遍性

有趣的問題是，在磁性材料中是否可以廣泛觀察到角磁電阻的奇異性，如果這種特性可以被普遍觀察到，那么制造出這種效果材料的關(guān)鍵因素是什么。理論模型表明，在其它材料中確實存在奇異響應(yīng)，并預(yù)測了有利于實現(xiàn)這一特性的材料性能。其中一個重要的成分是具有少量自由電荷的電子結(jié)構(gòu)，它發(fā)生在點(diǎn)狀電子結(jié)構(gòu)中，稱為節(jié)點(diǎn)。本研究中材料有所謂的Weyl點(diǎn)來實現(xiàn)這一點(diǎn)，在這種材料中，允許電子動量取決于磁性序的結(jié)構(gòu)。

通過磁自由度對這些電荷的動量進(jìn)行控制，使得系統(tǒng)能夠支持可切換的界面區(qū)域，在這些界面區(qū)域中，不同磁序域之間的動量不匹配。這種不匹配也導(dǎo)致了本研究中觀察到電阻的大幅增加。香港科技大學(xué)研究助理教授劉建鵬和Balents所作的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算，進(jìn)一步支持了上述分析。使用更傳統(tǒng)的磁性元素，如鐵或鈷，而不是稀土鈰，可能提供一個潛在的途徑，以更高的溫度觀測奇異角磁電阻效應(yīng)。該研究還排除了原子排列的變化，即結(jié)構(gòu)相變，作為鈰基材料電阻率變化的原因。

波士頓大學(xué)物理系副教授、研究生項目主任肯尼斯·伯奇(Kenneth Burch)的實驗室對威爾材料進(jìn)行了研究。這一結(jié)果不僅表明了微元半金屬在磁傳感中的新應(yīng)用，而且表明了電子輸運(yùn)、手性和磁性的獨(dú)特耦合。手性是電子與自旋有關(guān)的一個方面，它使電子具有左手或右手方向。這個尖銳但窄限電阻峰的發(fā)現(xiàn)，最終可能被工程師們用作磁傳感器的新范例。磁學(xué)的基本發(fā)現(xiàn)令人興奮的一點(diǎn)是，新技術(shù)有可能迅速被采用。有了現(xiàn)在的設(shè)計原則，在更強(qiáng)大的系統(tǒng)中尋找這種現(xiàn)象，以釋放這種潛力。

博科園｜研究/來自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aat0348

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