檢測(cè)量子材料中的自旋電流的新方法釋放了替代電子器件

精確測(cè)量流過(guò)量子材料表面的電子的神秘行為和磁性的新方法可以為下一代電子學(xué)開(kāi)辟道路。

硅基半導(dǎo)體位于電子設(shè)備的核心，依賴(lài)于負(fù)責(zé)為電子設(shè)備供電的受控電流。這些半導(dǎo)體只能接收電子的能量電荷，但電子不僅僅帶電荷。它們還具有稱(chēng)為自旋的固有角動(dòng)量，這是量子材料的一個(gè)特征，雖然難以捉摸，但可以通過(guò)操縱來(lái)增強(qiáng)電子器件。

由能源部橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室的李安平領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的顯微技術(shù)來(lái)檢測(cè)拓?fù)浣^緣體中的電子自旋，拓?fù)浣^緣體是一種可用于此類(lèi)應(yīng)用的新型量子材料。作為自旋電子學(xué)和量子計(jì)算。

“自旋電流，即移動(dòng)電子的總角動(dòng)量，是拓?fù)浣^緣體中的一種行為，在開(kāi)發(fā)自旋敏感方法之前無(wú)法解釋?zhuān)?rdquo;Li說(shuō)。

電子設(shè)備繼續(xù)快速發(fā)展，需要更多的功率包裝到更小的組件中。這促使人們需要更低成本，更節(jié)能的電荷電子設(shè)備替代品。拓?fù)浣^緣體沿其表面承載電流，而在散裝材料內(nèi)更深，它充當(dāng)絕緣體。流過(guò)材料表面的電子表現(xiàn)出均勻的自旋方向，這與電子在不同方向上旋轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體不同。

“基于電荷的設(shè)備比基于自旋的設(shè)備的能源效率低，”李說(shuō)。“為了使旋轉(zhuǎn)有用，我們需要控制它們的流動(dòng)和方向。”

為了檢測(cè)并更好地理解這種古怪的粒子行為，該團(tuán)隊(duì)需要一種對(duì)移動(dòng)電子自旋敏感的方法。他們的新顯微鏡方法是在Bi 2 Te 2 Se 單晶上測(cè)試的，Bi 2 Te 2 Se是一種含有鉍，碲和硒的材料。它測(cè)量了沿著材料表面產(chǎn)生多少電壓，因?yàn)殡娮恿髟谔囟c(diǎn)之間移動(dòng)，同時(shí)感測(cè)每個(gè)電子自旋的電壓。

這種新方法建立在四探針掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上，該顯微鏡是一種可通過(guò)四個(gè)可移動(dòng)探測(cè)尖端精確定位材料原子活動(dòng)的儀器 - 通過(guò)添加一個(gè)組件來(lái)觀察材料表面上電子的自旋行為。該方法不僅包括自旋靈敏度測(cè)量。它還將電流限制在表面上的一個(gè)小區(qū)域，這有助于防止電子逃離表面，從而提供高分辨率的結(jié)果。

“我們成功地檢測(cè)到了電子自旋電流產(chǎn)生的電壓，”李先生說(shuō)，他與“ 物理評(píng)論快報(bào)”( Physical Review Letters)發(fā)表的一篇論文合著 ，解釋了這種方法。“這項(xiàng)工作為拓?fù)浣^緣體中的自旋電流提供了明確的證據(jù)，并開(kāi)辟了研究最終可能應(yīng)用于下一代電子器件的其他量子材料的新途徑。”