物理学家在二维磁体中发现“马侬”起源-可以证明对编码信息有用

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莱斯大学研究生Lebing Chen使用高温炉制造了三碘化铬晶体,为橡树岭国家实验室的散裂中子源的实验提供了2D材料。来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学

拓扑特征对于电子自旋的信息编码是有用的。

莱斯大学的物理学家已经证实了马格子的拓扑起源,马格子是他们三年前在一种二维材料中发现的磁性特征,这对电子自旋的信息编码很有用。

美国物理学会杂志最近在线发表的一项研究描述了这一发现物理评论X,提供了对二维范德华磁体中拓扑驱动的自旋激发的新理解。材料是越来越感兴趣对于自旋电子学来说,是固体电子学界向利用电子自旋为计算、存储和通信编码信息的技术方向发展的一种运动。

自旋是量子物体的本质特征,电子自旋在产生磁性方面起着关键作用。

莱斯物理学家、PRX研究的共同通讯作者戴鹏程说,在二维材料三碘铬上的非弹性中子散射实验证实了自旋激发的拓扑性质的起源,称为马侬子,他的小组和其他人在材料中发现在2018年。

三碘化铬晶体

研究生陈乐兵展示了他在莱斯大学实验室制作的三碘化铬晶体。原子薄的二维三碘化铬堆叠层具有不同寻常的电子和磁性特性,这可能对“自旋电子”技术有用,该技术可以在电子的自旋中编码信息。来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学

Dai说,该小组在橡树岭国家实验室(ORNL)散裂中子源的最新实验表明,三碘铬中的电子“自旋轨道耦合诱导自旋之间的不对称相互作用”。“结果,电子自旋对运动原子核磁场的感受不同,这影响了它们的拓扑激发。”

在范德华材料中,原子薄的二维层堆叠起来就像书中的书页。层内的原子紧密地结合在一起,但层间的结合很弱。这些材料对于探索不寻常的电子和磁性行为是有用的。例如,一张二维的三碘铬薄片具有与磁性贴花粘在金属冰箱上相同的磁性顺序。三层或三层以上的二维层也有磁性顺序,物理学称之为铁磁。但是堆叠在一起的两层三碘铬具有相反的反铁磁性。

戴鹏程,陈乐兵

莱斯大学物理学家戴鹏程(左)和陈乐兵发现,他们之前在二维三碘化铬中注意到的不同寻常的磁性特征来自于拓扑特征。来源:杰夫·菲特洛/莱斯大学

这种奇怪的行为促使戴和同事们研究这些材料。莱斯大学研究生陈乐兵(Lebing Chen)是本周PRX研究和2018年发表在该杂志上的研究的主要作者,他开发了在ORNL实验中制作和校准三碘化铬薄片的方法。通过用中子轰击这些样品,并用中子飞行时间光谱法测量由此产生的自旋激发,陈、戴和同事们可以识别出材料的未知特征和行为。

在他们之前的研究中,研究人员发现三碘铬可以产生自己的磁场,这要归功于马格子的快速移动,它们的移动速度就好像没有阻力一样。戴说,最新的研究解释了为什么两层二维三碘化铬具有反铁磁顺序。

戴说:“我们发现了证据,表明材料中的磁性顺序与叠加有关。”发现这种状态的起源和关键特征非常重要,因为它可能存在于其他二维范德华磁体中。

参考文献:《磁场效应对CrI拓扑自旋激发的影响》3.作者:陈黎兵,Chung在浩,Matthew B. Stone, Alexander I. Kolesnikov, Barry Winn, V. Ovidiu Garlea, Douglas L. Abernathy, Bin Gao, Mathias Augustin, Elton J. G.桑托斯和戴鹏程,2021年8月31日,物理评论X
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.031047

其他合著者包括Rice的Bin Gao,高丽大学的Jae-Ho Chung, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, Barry Winn, Ovidiu Garlea和Douglas Abernathy,以及爱丁堡大学的Mathias Augustin和Elton Santos。

该研究由美国国家科学基金会(1700081)、韦尔奇基金会(C-1839)、韩国国家研究基金会(2020R1A5A1016518、2020K1A3A7A09077712)资助。英国工程和物理研究委员会和爱丁堡大学,并利用了英国ARCHER国家超级计算服务和能源部科学办公室提供的设施。

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