新型磁性拓撲材料：讓電子器件功耗更低！

導讀

最近，美國科學家首次對於新型磁性拓撲材料的特性進行了觀測，發現了其載流子具有極高的遷移率，且質量幾乎為零，為新一代低功耗電子器件的研究提供了新的可能性。

關鍵字

電子、材料、半導體

背景

現代電子工業的進步與硬體的發展密不可分，特別是晶體管在每一次新的迭代中都會變得更加小型化。最近，隨著納米技術的進步，硅晶體管的尺寸成功地降低到10納米的數量級。

然而，晶體管尺寸變到這麼小，隨之而來的是一些列其他的物理效應，限制它們的功能。例如，這些器件產生的功耗和熱量，為設計帶來了大麻煩。因此，為了開發新一代節能的信息技術，需要引入新型的量子材料和器件概念。

拓撲材料的出現（一種新型的相對論量子材料）為節能電子產品帶來了新的巨大希望。

創新

最近，由美國路易斯安那州立大學物理和天文學系主席 John F. DiTusa 教授和杜蘭大學 Zhiqiang Mao 教授領導的路易斯安那中子散射聯合會（LaCNS）的研究人員，與美國橡樹嶺國家實驗室、國家高磁場實驗室、佛羅里達州立大學和新奧爾良大學的研究人員協力合作，報告了首次對於磁場中的這種拓撲行為的觀測。這些研究成果發表於這周的《自然材料》雜誌。

下面這張圖描述了新發現的 Sr1-yMn1-zSb2 的磁性和電子狀態，通過描述這種材料晶體結構中原子位置的球體表示。鍶（Sr）通過紫羅蘭色小球表示；銻（Sb）通過藍色大球表示；錳（Mn）通過紫色球表示。Mn 原子上的箭頭表示這些原子的磁矩，它們按照一致反向對齊，讓 Sr1-yMn1-zSb2 具有磁性。同時，它也描述了導電電子或者載流子的能量和動量狀態，具有像金色的狄拉克錐一般的色散關係。

（圖片來源：美國橡樹嶺國家實驗室）

技術

「拓撲材料」指的是一些材料，其中載流電子像光子（組成光的粒子）一樣沒有質量。令人驚訝的是，這些電子狀態是強健的，對於缺陷和混亂具有免疫功能，因為由於對稱性，它們不會發生散射。

這種對稱性保護帶來了極高的載流子遷移率，使得電阻很小甚至為零。這一結果預計將大幅減少電子器件產生的熱量，提高節能效率。

這種新型磁體的載流子幾乎沒有質量。這種磁性為它帶來了重要的對稱性破缺，即時間反演對稱性，也稱「TRS」。隨著時間倒回，該能力將讓系統無法再返回其初始條件。這種相對論電子行為的組合，引起了載流子質量的大幅降低。而且TRS破壞一直被認為引起了更加不尋常的行為，更多地尋找具有磁性的Weyl(外爾)半金屬相。

價值

DiTusa 稱：

「這個首次觀測成為了新型量子材料發展的重要里程碑，它的發現為後續探索開啟了新機遇。這種幾乎無質量的載流子行為，為新型極低功耗器件的概念研究提供了新的可能性。」

這項合作研究所發現的這種優秀材料，被認為可用於研究外爾相的證據，並且發現其相關後果。

參考資料

【1】http://www.lsu.edu/mediacenter/news/2017/07/28physastro_ditusa_naturematls.php

【2】「A magnetic topological semimetal Sr1-yMn1-zSb2 (y, z < 0.1),」 Nature Materials (doi:10.1038/nmat4953):http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4953.html

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