在許多材料中 電阻和電壓在存在磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生變化

在許多材料中，電阻和電壓在存在磁場(chǎng)時(shí)發(fā)生變化，通常隨著磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)而平滑地變化。這種簡(jiǎn)單的磁響應(yīng)是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括非接觸式電流感應(yīng)，運(yùn)動(dòng)感應(yīng)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。在晶體中，電子的電荷和自旋對(duì)齊和相互作用的方式是這些效應(yīng)的基礎(chǔ)。利用對(duì)齊的性質(zhì)(稱為對(duì)稱性)是設(shè)計(jì)電子功能材料和旋轉(zhuǎn)電子(自旋電子學(xué))新興領(lǐng)域的關(guān)鍵因素。

最近，來(lái)自麻省理工學(xué)院，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)和加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校(UCSB)的里昂高等師范學(xué)院(ENS)，香港科技大學(xué)(HKUST)的研究小組，麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Joseph G. Checkelsky領(lǐng)導(dǎo)的NIST中子研究中心在由鈰，鋁，鍺和硅組成的晶體中發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁驅(qū)動(dòng)電響應(yīng)。

在低于5.6開爾文(相當(dāng)于-449.6華氏度)的溫度下，當(dāng)磁場(chǎng)沿晶體的高對(duì)稱方向精確對(duì)準(zhǔn)1度角時(shí)，這些晶體顯示出電阻率的急劇增強(qiáng)。這種效應(yīng)，研究人員稱之為“奇異角磁阻”，可歸因于對(duì)稱性 - 特別是鈰原子磁矩的有序性。他們的研究結(jié)果今天發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上。

新穎的反應(yīng)和對(duì)稱性

就像一個(gè)老式時(shí)鐘，設(shè)計(jì)用于在12點(diǎn)鐘和手中沒有其他位置時(shí)，新發(fā)現(xiàn)的磁阻僅在磁場(chǎng)的方向或矢量與高對(duì)稱軸線成直線時(shí)發(fā)生在材料的晶體結(jié)構(gòu)中。將磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)超過(guò)該軸一度，電阻急劇下降。

“而不是像傳統(tǒng)材料那樣響應(yīng)磁場(chǎng)的各個(gè)組成部分，這里材料對(duì)絕對(duì)矢量方向作出反應(yīng)，”Checkelsky集團(tuán)的研究科學(xué)家Takehito Suzuki說(shuō)，他合成了這些材料并發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。“觀察到的尖銳增強(qiáng)，我們稱之為奇異的角磁阻，意味著只有在這些條件下才能實(shí)現(xiàn)的明顯狀態(tài)。”

磁阻是響應(yīng)于施加的磁場(chǎng)的材料的電阻的變化。一種稱為巨磁阻的相關(guān)效應(yīng)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬盤的基礎(chǔ)，其發(fā)現(xiàn)者被授予2007年諾貝爾獎(jiǎng)。

ENS de Lyon的CNRS研究員Lucile Savary補(bǔ)充說(shuō)：“觀察到的增強(qiáng)作用非常局限于沿著晶體軸的磁場(chǎng)，這強(qiáng)烈地表明對(duì)稱性起著至關(guān)重要的作用。” 2014年至17年，Savary是麻省理工學(xué)院的Betty和Gordon Moore博士后研究員，當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)開始合作。

為了闡明對(duì)稱性的作用，至關(guān)重要的是看到磁矩的對(duì)齊，為此，NIST研究員鈴木和NIST研究員Jeffrey Lynn在NIST中子研究中心對(duì)BT-7三軸光譜儀進(jìn)行了粉末中子衍射研究。 (NCNR)。研究小組利用NCNR的中子衍射能力來(lái)確定材料的磁性結(jié)構(gòu)，這對(duì)于理解磁疇的拓?fù)湫再|(zhì)和性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。“拓?fù)錉顟B(tài)”是指保護(hù)免受普通疾病影響的狀態(tài)。這是揭示奇異反應(yīng)機(jī)制的關(guān)鍵因素。

基于觀察到的排序模式，加州大學(xué)圣地亞哥分校Kavli理論物理研究所的教授和常任成員Savary和Leon Balents構(gòu)建了一個(gè)理論模型，其中由磁矩排序引起的自發(fā)對(duì)稱破缺耦合到磁場(chǎng)和拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。作為耦合的結(jié)果，可以通過(guò)精確控制磁場(chǎng)方向來(lái)操縱均勻排序的低電阻率和高電阻率狀態(tài)之間的切換。

“該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性非常突出，是理解什么是神秘的實(shí)驗(yàn)觀察的關(guān)鍵，”該論文的資深作者Checkelsky說(shuō)。

現(xiàn)象普遍存在

“這里有趣的問(wèn)題是，在磁性材料中是否可以廣泛觀察到奇異的角磁阻，如果能夠普遍觀察到這一特征，那么用這種效果設(shè)計(jì)材料的關(guān)鍵因素是什么，”鈴木說(shuō)。

理論模型表明，奇異響應(yīng)確實(shí)可以在其他材料中找到，并預(yù)測(cè)有利于實(shí)現(xiàn)該特征的材料特性。其中一個(gè)重要的成分是具有少量自由電荷的電子結(jié)構(gòu)，其發(fā)生在被稱為節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)狀電子結(jié)構(gòu)中。本研究中的材料具有所謂的Weyl點(diǎn)。在這種材料中，允許的電子動(dòng)量取決于磁性順序的配置。通過(guò)磁自由度對(duì)這些電荷的動(dòng)量的這種控制允許系統(tǒng)支持可切換的界面區(qū)域，其中動(dòng)量在不同磁性順序的域之間不匹配。這種不匹配還導(dǎo)致本研究中觀察到的抗性大幅增加。

香港科技大學(xué)研究助理教授劉建鵬和人才進(jìn)行的第一原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)一步支持了這一分析。使用更傳統(tǒng)的磁性元素，例如鐵或鈷，而不是稀土鈰，可以提供通向更高溫度觀察奇異角磁阻效應(yīng)的潛在途徑。該研究還排除了原子排列的變化，稱為結(jié)構(gòu)相變，作為鈰基材料電阻率變化的原因。

肯尼斯·伯奇，研究生課程主任，波士頓學(xué)院，他的實(shí)驗(yàn)室調(diào)查魏爾材料物理學(xué)副教授，指出：“卓越的靈敏度的磁角度的發(fā)現(xiàn)是在這個(gè)新類的完全出乎意料的現(xiàn)象，材料這一結(jié)果表明不僅是新的。 Weyl半金屬在磁感應(yīng)中的應(yīng)用，但是電子傳輸，手性和磁性的獨(dú)特耦合。“ 手性是與其旋轉(zhuǎn)相關(guān)的電子的一個(gè)方面，使它們具有左手或右手取向。

這種尖銳但狹窄的電阻峰值的發(fā)現(xiàn)最終可能被工程師用作磁傳感器的新范例。Notes Checkelsky，“關(guān)于磁性基本發(fā)現(xiàn)的一個(gè)令人興奮的事情是新技術(shù)的快速采用的可能性?，F(xiàn)在手中的設(shè)計(jì)原則，我們正在廣泛的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象在更強(qiáng)大的系統(tǒng)中解鎖這一潛力“。