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    零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

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      居里夫人
      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      在许多材料中,存在磁场时电阻和电压会发生变化,通常随着磁场的旋转而平稳地变化。这种简单磁响应是许多应用的基础,包括非接触电流传感、运动传感和数据存储。在晶体中,电子的电荷和自旋排列和相互作用方式是这些效应的基础。利用这种被称为对称的排列特性,是为电子和新兴自旋电子学(自旋电子学)设计功能材料的关键因素。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      现在麻省理工学院(MIT)、法国国家科学研究中心(CNRS)、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)、香港科技大学(HKUST)和NIST中子研究中心的一组研究人员,在麻省理工学院物理学助理教授约瑟夫•切克尔斯基(Joseph G. Checkelsky)的带领下,发现了一种由铈、铝、锗和硅组成的晶体中存在一种新型的磁驱动电响应。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      当温度低于5.6 k(-267.56摄氏度)时,当磁场沿晶体高对称方向精确对准1度角时,这些晶体的电阻率会急剧提高。这种效应,研究人员称之为“奇异角磁电阻”,可以归因于对称性,特别是铈原子磁矩的顺序,其研究研究结果2019年6月21日发表在《科学》上。

      新反应与对称性

      (此处已添加圈子卡片,请到今日头条客户端查看)

      就像一个老式的时钟,设计成12点报时,指针没有其他位置,只有当磁场的方向或矢量与材料晶体结构的高对称性轴线成直线时,才会出现新发现的磁阻,把磁场从那个轴转一个度以上,电阻就会急剧下降。切克尔斯基小组的研究科学家铃木武仁(Takehito Suzuki)说:在这里,材料不像传统材料那样对磁场的单个成分做出反应,而是对绝对矢量方向做出反应。研究合成了这些材料,并发现了这种效应,观察到的急剧增强,称之为“奇异角磁电阻”。意味着只有在这些条件下才能实现一种独特的状态。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      磁阻是材料电阻随外加磁场的变化而发生变化,一种被称为巨磁电阻的相关效应是现代计算机硬盘的基础,其发现者在2007年获得了诺贝尔奖。在这种材料中,所观察到增强受沿晶体轴的磁场高度限制,这强烈地表明对称性起着关键作用。为了阐明对称性的作用,看到磁矩排列是至关重要的,铃木镇一和NIST研究员杰弗里·林恩在NIST中子研究中心(NCNR)用BT-7三轴光谱仪对磁矩进行了粉末中子衍射研究。研究小组利用NCNR的中子衍射能力来确定材料磁结构。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      这对于理解材料的拓扑性质和磁畴性质起着至关重要的作用。“拓扑状态”是一种不受普通无序影响的状态,这是揭示奇异响应机理的一个关键因素。基于观测到的有序模式,UCSB卡维里理论物理研究所教授兼永久成员Savary Balents和Leon Balents构建了一个理论模型,其中由磁矩有序对引起的自发对称性破坏与磁场和拓扑电子结构有关。通过对磁场方向的精确控制,可以实现均匀有序的低阻和高阻状态之间切换。模型与实验结果的一致性非常突出,这是理解什么是神秘的实验观察的关键。

      这种现象的普遍性

      有趣的问题是,在磁性材料中是否可以广泛观察到角磁电阻的奇异性,如果这种特性可以被普遍观察到,那么制造出这种效果材料的关键因素是什么。理论模型表明,在其它材料中确实存在奇异响应,并预测了有利于实现这一特性的材料性能。其中一个重要的成分是具有少量自由电荷的电子结构,它发生在点状电子结构中,称为节点。本研究中材料有所谓的Weyl点来实现这一点,在这种材料中,允许电子动量取决于磁性序的结构。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      通过磁自由度对这些电荷的动量进行控制,使得系统能够支持可切换的界面区域,在这些界面区域中,不同磁序域之间的动量不匹配。这种不匹配也导致了本研究中观察到电阻的大幅增加。香港科技大学研究助理教授刘建鹏和Balents所作的第一性原理电子结构计算,进一步支持了上述分析。使用更传统的磁性元素,如铁或钴,而不是稀土铈,可能提供一个潜在的途径,以更高的温度观测奇异角磁电阻效应。该研究还排除了原子排列的变化,即结构相变,作为铈基材料电阻率变化的原因。

      零下267.56度时,接近磁奇点,发现“奇异角磁电阻”效应

      波士顿大学物理系副教授、研究生项目主任肯尼斯·伯奇(Kenneth Burch)的实验室对威尔材料进行了研究。这一结果不仅表明了微元半金属在磁传感中的新应用,而且表明了电子输运、手性和磁性的独特耦合。手性是电子与自旋有关的一个方面,它使电子具有左手或右手方向。这个尖锐但窄限电阻峰的发现,最终可能被工程师们用作磁传感器的新范例。磁学的基本发现令人兴奋的一点是,新技术有可能迅速被采用。有了现在的设计原则,在更强大的系统中寻找这种现象,以释放这种潜力。

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