东方时讯网由香港城市大学(CityU)物理学家共同领导的多国研究小组发现，由于晶体独特的原子结构，一种新型金属晶体在其表面显示出不寻常的电子行为。他们的发现开辟了使用这种材料开发更快、更小的微电子设备的可能性。
研究的材料是最近发现的“kagome”金属化合物，它由三种元素组成：钆(Gd)、钒(V)和锡(Sn)。它被归类为“1-6-6”材料，表示存在于GdV6Sn6晶体中的三种金属元素的比例。原子以复杂但规则的几何图案排列，产生了非凡的表面特性。
通常，原子中带负电的电子在离带正电的原子核不同距离的离散能带内移动。然而，在GdV6Sn6的表面上，预计暴露原子的顶层会相互作用并改变能带的拓扑结构，即形状和位置。从理论上讲，这种变形可以引入一种新的稳定的电子特性，到目前为止，在GdV6Sn6或任何其他kagome金属中尚未明确检测到这种特性。
首次观察到Kagome金属中不寻常的表面电子行为
“我们的团队首次明确观察到，kagome金属可以表现出改变的电子能带结构，这种结构被称为‘拓扑非平凡狄拉克表面态’，”物理系助理教授马军章博士说在城大。
“由于它们固有的自旋和电荷，电子会产生自己的磁场，并像微型陀螺仪一样具有旋转和指向特定方向的倾斜倾斜。我们证明，在GdV6Sn6中，表面电子变得重新排序或'自旋极化'，它们的倾斜会围绕垂直于表面的共同轴重新定向。”
电子围绕共享轴的有序取向是它们的“自旋手性”，它可以是顺时针或逆时针方向。更重要的是，研究团队能够通过对晶体表面进行简单的物理修饰，成功地逆转自旋手性。“因为我们发现自旋极化电子的自旋手性很容易可逆，我们的材料在自旋电子学领域的下一代晶体管中具有巨大的应用潜力，”马博士补充道。
该研究于2022年9月21日发表在《科学进展》上，其动机是在考虑GdV6Sn6kagome晶体的特殊特征后，对新型表面电子能带结构的理论预测。例如，重复的V3Sn亚单元层堆叠在Sn和GdSn2的交替层之间。
此外，多个V3Sn亚基几何排列在“kagome层”中，其围绕六边形的六个等边三角形的重复图案类似于日本竹篮编织中看到的kagome格子。最后，V3Snkagome层是非磁性的，而GdSn2层是磁性的。
首先，研究人员通过加热Gd、V和Sn金属并缓慢冷却产品来制造GdV6Sn6晶体。然后，在通过单晶X射线衍射确认化学成分和结构后，他们通过堆叠层切割晶体，并通过角分辨光电子能谱或ARPES分析暴露的表面。结果表明，解理表面确实具有重塑的能带结构，进一步分析证明了顺时针自旋特征。
最后，该团队表明，通过在表面涂上钾原子，表面能带可以急剧弯曲，这一过程称为电子掺杂。结果，随着掺杂水平的增加，电子自旋手性从顺时针变为逆时针。
在改善信息传输及其他方面的潜在应用
研究人员有意逆转GdV6Sn6晶体上表面电子的自旋手性的能力使其成为许多实际电子应用的有希望的候选材料。
“在未来，我们可能能够应用局部电压或静电‘门’来直接操纵或调整电子能带结构，从而改变1-6-6kagome金属表面的电子自旋手性，”马博士说。
“控制电子的自旋极化方向是基于电荷存在或不存在的传统二进制数字编码的一种有吸引力的替代方案，它相对较慢并且可能导致设备发热等问题。我们的技术可以显着提高效率数字信息传输，产生的热量更少，与超导体结合后最终可用于量子计算。”