兩個(gè)原子厚的鐵和鈀層(左圖,黃色/紅色)。圖片來源:德國于利希研究中心

德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個(gè)二維半金屬材料并獲實(shí)驗(yàn)證實(shí)。該材料是一種僅允許單一自旋方向(“自旋向上”或“自旋向下”)電子導(dǎo)電的材料。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《物理評論快報(bào)》,標(biāo)志著新一代高能效自旋電子學(xué)材料研究取得重要突破。

半金屬是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵材料。與傳統(tǒng)導(dǎo)體不同,半金屬只允許一種自旋方向的電子通過,因此成為自旋電子學(xué)的理想選擇。這一新興的信息技術(shù)不僅利用電子的電荷,還能利用其自旋進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與處理,而傳統(tǒng)電子技術(shù)則只能利用電荷。

然而,以往所有已知半金屬都只能在極低溫環(huán)境下工作,而且其表面常常失去所需的特殊電子特性,極大限制了實(shí)際應(yīng)用。現(xiàn)在,研究人員在鈀晶體上構(gòu)建出一種由鐵和鈀組成、厚度僅為兩個(gè)原子的超薄合金,首次實(shí)現(xiàn)二維半金屬性。他們借助先進(jìn)的“自旋分辨動量顯微鏡”技術(shù),精確測量到該合金僅允許一種自旋類型的電子導(dǎo)電,證實(shí)了二維半金屬的存在。

研究人員表示,這種材料并不依賴?yán)硐氲木w結(jié)構(gòu),這對于實(shí)際生產(chǎn)來說是個(gè)極大利好,而且通過調(diào)節(jié)鐵的含量還能對其電子特性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

過去,人們一直認(rèn)為自旋軌道耦合(即電子自旋與其運(yùn)動狀態(tài)之間的相互作用)會妨礙半金屬性的形成。但新研究發(fā)現(xiàn),如果將鐵原子帶來的磁交換作用與自旋軌道耦合進(jìn)行精確平衡,自旋軌道耦合反而有助于實(shí)現(xiàn)半金屬性。

這種新材料有望成為構(gòu)建自旋電子元件(如自旋濾波器、自旋軌道轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)等)的基礎(chǔ),而這些元件正是磁存儲芯片中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換的關(guān)鍵所在。更重要的是,該材料在室溫下依然保持有效,并且易于與現(xiàn)有的薄膜技術(shù)集成,為其在實(shí)際器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

此外,這種材料還具備一項(xiàng)罕見特性,即其電子的自旋極化方向與磁化方向相反。這一特性為未來開發(fā)納米級磁性器件提供了新的可能。