研究人員發(fā)現(xiàn)意外的磁效應(yīng)與粒子的量子行為有關(guān)

一種新的和意想不到的磁效應(yīng)讓研究人員感到意外，并且可以為先進(jìn)的電子設(shè)備甚至強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)架構(gòu)開辟新的途徑。

該發(fā)現(xiàn)基于一系列稱為拓?fù)浣^緣體(TI)的材料，近年來(lái)引起了人們的極大興趣。TI的新穎電子特性可能最終導(dǎo)致新一代的電子，自旋電子或量子計(jì)算設(shè)備。這些材料在整個(gè)內(nèi)部表現(xiàn)得像普通絕緣體，阻擋電子流動(dòng)，但它們的最外表面幾乎是完美的導(dǎo)體，允許電子自由移動(dòng)。將電子限制在這個(gè)消失的薄表面上，然后以獨(dú)特的方式表現(xiàn)。

但利用這些材料的承諾仍然面臨著許多障礙，其中之一就是找到一種將TI與具有可控磁性的材料相結(jié)合的方法?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員表示，他們找到了克服這一障礙的方法。

麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)由物理系的Jagadeesh Moodera和博士后Ferhat Katmis領(lǐng)導(dǎo)，能夠?qū)⒁环N稱為硒化鉍(Bi2Se3)的拓?fù)浣^緣體材料的幾個(gè)分子層與超薄磁性材料層，硫化銪( EUS)。得到的雙層材料保留了TI的所有奇特電子特性和EuS的全磁化能力。

但令人驚訝的是這種影響的穩(wěn)定性。雖然已知EuS本身僅保持其在極低溫度下保持磁狀態(tài)的能力，僅比絕對(duì)零度(17開爾文)高17度，但組合材料將這些特性保持在普通室溫下。這可以為開發(fā)實(shí)用的設(shè)備帶來(lái)巨大的變化，并且可以開辟新的設(shè)備設(shè)計(jì)途徑以及研究基本物理現(xiàn)象的新領(lǐng)域。

“自然”雜志在Katmis，Moodera和其他10位麻省理工學(xué)院的論文以及來(lái)自O(shè)ak Ridge，Argonne實(shí)驗(yàn)室以及德國(guó)，法國(guó)和的機(jī)構(gòu)的跨國(guó)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)報(bào)告了這些研究結(jié)果。

Moodera說(shuō)，在這項(xiàng)工作中看到的室溫磁效應(yīng)“不是任何人的最大期望。這讓我們感到驚訝。“他說(shuō)，像這樣的研究仍然離科學(xué)知識(shí)的前沿非常近，以至于這種現(xiàn)象無(wú)法預(yù)測(cè)。他說(shuō)：“在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，你無(wú)法分辨下周你會(huì)看到什么，或?qū)?huì)發(fā)生什么。”

特別是，具有非常不同特性的兩種材料的新穎組合“是研究深度非常小的區(qū)域。”并且獲得清晰和可重復(fù)的結(jié)果取決于表面制備和兩種材料的連接的高度精確性; Moodera說(shuō)，兩者之間界面的任何污染或缺陷 - 甚至低至單個(gè)原子層的水平 - 都會(huì)導(dǎo)致結(jié)果失效。“發(fā)生了什么，發(fā)生在他們相遇的地方，”他說(shuō)，而Katmis在制作這些材料時(shí)的細(xì)致而持久的努力是新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。

該研究小組稱，這一發(fā)現(xiàn)可能是在材料之間的界面上實(shí)現(xiàn)新型磁性相互作用的一步，穩(wěn)定性可能導(dǎo)致磁性存儲(chǔ)器件能夠在單個(gè)分子的水平上存儲(chǔ)信息。

研究人員稱之為接近感應(yīng)磁力的效應(yīng)，也可以基于稱為自旋的電子特性而不是電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)新的各種“自旋電子”器件。它也可能提供第一種生產(chǎn)一種稱為Majorana費(fèi)米子的粒子的實(shí)用方法，由物理學(xué)家預(yù)測(cè)但尚未令人信服地觀察到。他們說(shuō)，這反過(guò)來(lái)可能有助于量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

“這是一件好事，它既展示了非常基礎(chǔ)的物理特性，又將我們推向了許多可能的應(yīng)用，”Katmis說(shuō)。他說(shuō)，這種效應(yīng)與十年前在一些氧化物材料之間的界面上的意外發(fā)現(xiàn)有些相似，這引發(fā)了十年的深入研究。

該研究小組表示，這一新發(fā)現(xiàn)，再加上TI中觀察到的其他近期量子行為，可為未來(lái)的電子和自旋電子學(xué)帶來(lái)許多可能性。

“這部來(lái)自Moodera小組的精彩作品是一個(gè)非常激動(dòng)人心的證明，整體大于其各部分的總和，”哈佛大學(xué)物理學(xué)教授菲利普金說(shuō)，他沒(méi)有參與這項(xiàng)工作。“拓?fù)浣^緣子和磁性絕緣子是兩種完全不同的材料。然而，他們?cè)谠影愀蓛舻慕缑嫔袭a(chǎn)生非常不尋常的緊急效果，“他補(bǔ)充道。“這項(xiàng)工作中顯示的增強(qiáng)的界面磁性與構(gòu)建能夠以低能耗處理信息的新型自旋電子器件非常相關(guān)。”