在許多材料中 電阻和電壓在存在磁場時(shí)發(fā)生變化

在許多材料中，電阻和電壓在存在磁場時(shí)發(fā)生變化，通常隨著磁場的旋轉(zhuǎn)而平滑地變化。這種簡單的磁響應(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齊和相互作用的方式是這些效應(yīng)的基礎(chǔ)。利用對齊的性質(zhì)(稱為對稱性)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，來自麻省理工學(xué)院，法國國家科學(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)磁場沿晶體的高對稱方向精確對準(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)的磁阻僅在磁場的方向或矢量與高對稱軸線成直線時(shí)發(fā)生在材料的晶體結(jié)構(gòu)中。將磁場旋轉(zhuǎn)超過該軸一度，電阻急劇下降。

“而不是像傳統(tǒng)材料那樣響應(yīng)磁場的各個(gè)組成部分，這里材料對絕對矢量方向作出反應(yīng)，”Checkelsky集團(tuán)的研究科學(xué)家Takehito Suzuki說，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：“觀察到的增強(qiáng)作用非常局限于沿著晶體軸的磁場，這強(qiáng)烈地表明對稱性起著至關(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。

為了闡明對稱性的作用，至關(guān)重要的是看到磁矩的對齊，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的中子衍射能力來確定材料的磁性結(jié)構(gòu)，這對于理解磁疇的拓?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)對稱破缺耦合到磁場和拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)。作為耦合的結(jié)果，可以通過精確控制磁場方向來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。

現(xiàn)象普遍存在

“這里有趣的問題是，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。

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。通過磁自由度對這些電荷的動(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“。