科学家发现了一种具有奇异磁性的新晶体

摘要螺旋粒子能量磁性

这不是你的奶奶的冰箱。

根据科学家们分析了在国家标准和技术研究所(NIST)出现的新晶体,已经发现并与同样异乎寻常的电子类型发现并与同等异乎寻常的电子形式被发现并连接到同样异乎寻常的电子类型。由晶体的独特电子结构创建和保护磁性,提供了一种机制,可以利用快速,强大的信息存储设备。

这种新发明的材料有一种不同寻常的结构,可以导电,但可以使流动的电子表现出无质量粒子的行为,其磁性与它们的运动方向有关。在其他材料中,比如韦尔电子

引发了与电导率相关的新行为。然而,在这种情况下,电子促进了磁螺旋的自发形成。

“我们的研究显示了这些粒子驱动集体磁性的一个罕见例子,”约翰霍普金斯大学的物理学家科林·布罗姆说,他领导了NIST中子研究中心(NCNR)的实验工作。“我们的实验说明了一种由韦尔电子产生的独特形式的磁性。”

研究结果发表在自然材料,揭示了材料、以电流形式流过它的电子和材料所显示的磁性之间的复杂关系。

半晶体

该“半型”晶体包括重复单元电池,例如左侧的单元电池,其具有方形顶部和矩形侧面。球体代表硅(紫色),铝(绿松石)和 - 在金 - 钕(Nd)原子中,其最后一个是磁性的。理解材料的特殊磁性需要九个这些单元电池,显示为右侧的较大块(其具有红色中概述的单位单电池)。该3×3块显示绿色“Weyl”电子在电池顶部对角行进,并影响Nd原子的磁自旋取向。Weyl电子的特殊性质是旋转方向的锁定,该旋转方向是平行的或反平行的点,如韦尔电子中的小箭头所示。As these electrons travel along the four gold Nd atoms, the Nd spins reorient themselves into a “spin spiral” which can be imagined as pointing successively in the 12 o’clock direction (closest to viewer with red arrow pointing upward), 4 o’clock (blue arrow), 8 o’clock (also in blue) and again 12 o’clock (farthest from viewer and again in red). Lines of Nd atoms stretch through many layers of the crystal, offering many instances of this unusual magnetic pattern. Credit: N. Hanacek/NIST

在冰箱磁铁中,我们有时会想象每个铁原子都被一块棒状磁铁刺穿,其“北极”指向某个方向。这个图像是指原子的自旋方向,它们平行排列。研究小组研究的材料是不同的。它是一种由硅、金属铝和钕制成的“半金属”。这三种元素一起构成了一种晶体,这意味着它的组成原子以一种规则的重复模式排列。然而,正是这种晶体打破了逆反对称,这意味着晶体单元单元(晶体晶格的最小组成部分)的一边重复的模式与另一边不同。这种排列稳定了电子在晶体中的流动,这反过来又驱动了其磁性的异常行为。

电子的稳定性在其旋转方向上表现为均匀性。在大多数导电铜线的电力的大多数材料中,流过电线的电子具有在随机方向上的旋转。在半型中不是如此,其破碎的对称性将流动的电子转变为旋转在电子行进方向上或沿精确相反方向定向的威尔电子。这种锁定韦尔电子的旋转旋转到它们的运动方向 - 它们的动量 - 导致半表现罕见的磁性行为。

“我们的实验说明了一种由韦尔电子产生的独特形式的磁性。”—约翰霍普金斯大学的物理学家科林·布罗姆说

这种材料的三种原子都能导电,为电子跳跃提供了跳板原子原子。然而,只有钕(Nd)原子具有磁性。它们很容易受到威尔电子的影响,这种电子以一种奇怪的方式推动Nd原子自旋。沿着沿着半金属对角线延伸的任何一排Nd原子,你会看到研究小组所说的“自旋螺旋”。

“一种简化的方式来想象它是第一个ND Atom的旋转点到12点钟,然后下一个到4点钟,然后是第三到8点,”Broholm说。“然后模式重复。这种美丽的自旋“纹理”是由韦尔电子在访问邻近的ND原子时驱动的。“

在约翰霍普金斯大学昆腾物质研究所内的许多群体中展示了在晶体中产生的特殊磁力作出合作。它包括研究晶体合成,复杂数值计算和中子散射实验的组。

“对于中子散射,我们从NIST中子研究中心提供的大量中子衍射光束时间中受益匪浅,”论文的合著者之一乔纳森·高德特(Jonathan Gaudet)说。“如果没有光束时间,我们就会错过这些美丽的新物理学。”

旋转螺旋的每个环长约150纳米,螺旋仅出现在低于7k的冷温度下。Broholm表示,有材料具有相似的物理性质,在室温下起作用,并且它们可能正在利用它们以产生高效的磁性内存设备。

“像硬盘这样的磁存储技术通常需要你创建一个磁场来让它们工作,”他说。“有了这类材料,你就可以不需要施加或检测磁场就能存储信息。电子信息的读写速度更快,也更健壮。”

了解韦尔电子驱动的效应,也可能有助于了解其他令物理学家震惊的材料。

布罗霍姆说:“从根本上说,我们可能能够创造出各种具有不同内部自旋特性的材料——也许我们已经做到了。”“作为一个群体,我们创造了许多我们无法立即理解的磁性结构。在了解了韦尔介导的磁性的特殊特性后,我们可能最终能够理解和使用这种奇异的磁性结构。”

参考文献:“Ndalsi的Weyl-Mediated螺旋磁”,洪宇杨,杨峪湖,广东徐,广东徐,杨钊,何塞A. Rodriguez-Rivera,Christina M. Hoffmann,David E. Graf,DariusH. Torchinsky,PredragNikolić,David Vanderbilt,Fazel Tafti和Collin L. Broholm,8月19日,自然材料
DOI: 10.1038 / s41563 - 021 - 01062 - 8

该研究的部分数据是通过多轴晶体光谱仪(MACS)仪器获得的,该仪器是高分辨率中子散射中心(CHRNS)的一部分,该中心是由NCNR和国家科学基金会(NSF)共同资助的一个国家用户设施。

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