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新型晶体将电子限制在一维空间 可用于开发自旋电子器件

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58京牌 基于自旋电子学的物理系统未来可能取代一众电子系统。为了实现这一突破性飞跃,将电子限制在一维空间的材料组件备受关注。,研究人员首次以特殊的铋基晶体的形式创造了一种材料,这种晶体被称为高阶拓扑绝缘体。

(图片来源:东京大学)

为了开发自旋电子器件,需要设计新材料,以利用生活中尚未发现的量子行为。你可能很熟悉导体和绝缘体,它们分别传导或限制电子流动。半导体也很常见,它们通常是绝缘的,但在某些情况下会导电,由此成为理想的微型开关。

在自旋电子学应用中,需要使用一种名为拓扑绝缘体的新型电子材料。与其他三种材料不同,这种材料整体绝缘,只沿表面导电。它并不传导电子流,而是电子的自旋或角动量。众所周知,这种自旋电流可能成为打开新世界的钥匙,用于制造超高速和低功耗设备。

然而,拓扑绝缘体的性能并不是完全一致,比如强弱之分,当然也存在一些缺点。比如,在沿着整个表面传导自旋时,参与电子往往会发生散射,从而削弱其传递自旋电流的能力。最近,东京大学固态物理研究所的研究团队首次研制出一种高阶拓扑绝缘体。这是第三种拓扑绝缘体,自2017年已出现相关理论。Takeshi Kondo教授表示:“我们用铋元素制造了一种高阶拓扑绝缘体,可以只沿着拐角边缘传导自旋电流,基本呈一维线。由于自旋电流是一维的,而非二维,所以电子不会散射,使其保持稳定。

为了开发这种三维晶体,Kondo及其团队以某种方式将单原子厚度二维晶体片堆叠在一起。无论强或弱拓扑绝缘体,堆叠晶片均沿相同方向排列。然而,为了构建高阶拓扑绝缘体,晶片的方向交替出现,如同正反面相对的扑克牌。这种微妙的排列变化,使所开发出的三维晶体发生巨大变化。

堆叠晶片通过名为范德华力(van der Waals force)的量子力聚在一起。这是罕见的量子现象之一,在晶体中将各层粘合在一起。在一定程度上,可以解释粉末材料为何聚集在一起,并以其方式流动。Kondo表示:“拓扑性质的出现和消失,仅仅取决于二维原子片的堆叠方式,这一点发现让人感到兴奋。这让材料设计更加自由,将带来新的想法,如快速高效的自旋电子器件等应用。”

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