Un equipo multinacional de investigadores, codirigido por físicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU), descubrió que un nuevo cristal metálico exhibe un comportamiento electrónico inusual en su superficie, gracias a la estructura atómica única del cristal. Sus hallazgos abren la posibilidad de utilizar este material para desarrollar dispositivos microelectrónicos más rápidos y más pequeños.
El tema de investigación es el compuesto metálico recientemente descubierto “Kagome”, que consta de tres elementos: gadolinio (Gd), vanadio (V) y estaño (Sn). Clasificado como material “1-6-6” para indicar la proporción de los tres elementos metálicos presentes en GdV6Pronto6 cristal. Los átomos están dispuestos en patrones geométricos complejos pero regulares, lo que da como resultado propiedades superficiales anómalas.
Los electrones cargados negativamente en un átomo normalmente se mueven en bandas discretas de energía a distancias variables del núcleo cargado positivamente.Sin embargo, en la superficie de GdV6Pronto6, se prevé que las capas superiores expuestas de átomos interactúen entre sí y deformen la topología, es decir, la forma y disposición de las bandas de energía. Teóricamente, esta deformación podría introducir nuevas propiedades electrónicas estables que hasta ahora no se han detectado definitivamente en GdV.6Pronto6 U otros metales kagome.
Primera observación del comportamiento electrónico superficial anómalo de los metales Kagome
“Nuestro equipo ha observado claramente por primera vez que los metales de Kagome pueden exhibir un tipo de estructura de banda de energía electrónica alterada conocida como ‘estado superficial topológicamente no trivial de Dirac’. CityU”. propios campos magnéticos y se comportan como pequeños giroscopios con rotación e inclinación angular apuntando en una dirección particular, como hemos demostrado en GdV.6Pronto6Luego, los electrones de la superficie se reorganizan o “polarizan por rotación” y sus inclinaciones se reorientan alrededor de un eje común perpendicular a la superficie. ”
La orientación ordenada de los electrones alrededor del eje compartido es su ‘quiralidad de espín’, que puede estar orientada en sentido horario o antihorario. Más importante aún, el equipo de investigación revirtió con éxito la quiralidad del espín realizando una simple modificación física de la superficie del cristal. “Dado que descubrimos que la quiralidad de espín de los electrones polarizados por espín se puede invertir fácilmente, nuestro material tiene un gran potencial para las aplicaciones de transistores de próxima generación en el campo de la espintrónica”, agrega el Dr. Ma. .
Investigación publicada en progreso cientifico El 21 de septiembre de 2022 nos motivó la predicción teórica de una nueva estructura de banda electrónica de superficie tras considerar las particularidades de GdV6Pronto6 Cristal Kagome.Por ejemplo, una capa de repetición V3Las subunidades Sn se apilan entre capas alternas de Sn y GdSn2Además, múltiples V3Las subunidades Sn están dispuestas geométricamente en una “capa de kagome”, que se asemeja a una capa de kagome con un patrón repetitivo de seis triángulos equiláteros que rodean un hexágono. Kagome Una celosía vista en el tejido de cestas de bambú japonés. Finalmente, V.3La capa de Sn kagome no es magnética, pero el GdSn2 Las capas son magnéticas.
Primero, los investigadores crearon GdV6Pronto6 Los cristales se producen calentando los metales Gd, V y Sn y enfriando lentamente el producto. Luego, después de confirmar la composición química y la estructura mediante difracción de rayos X de un solo cristal, se cortó el cristal de las capas apiladas y se analizó la superficie expuesta mediante espectroscopía de fotoelectrones con resolución angular (ARPES). Los resultados revelaron que la superficie escindida de hecho tenía una estructura de banda de energía reformada, y un análisis posterior indicó un carácter de giro en el sentido de las agujas del reloj. Finalmente, el equipo demostró que las bandas de energía de la superficie pueden distorsionarse significativamente al recubrir la superficie con átomos de potasio en un proceso conocido como dopaje de electrones. Como resultado, la quiralidad de los espines electrónicos cambió de sentido horario a sentido contrario a las agujas del reloj al aumentar el nivel de dopaje.
Mejora de la transmisión de información y ejemplos de aplicaciones más allá
La capacidad del investigador para invertir deliberadamente la quiralidad de espín de los electrones de superficie en GdV6Pronto6 Los cristales son materiales candidatos prometedores para muchas aplicaciones electrónicas prácticas.
“En el futuro, podremos aplicar voltajes locales o ‘compuertas’ electrostáticas para manipular o sintonizar directamente la estructura de banda electrónica para alternar la quiralidad de espín electrónico en la superficie de 1-6-6 metales Kagome”. . dice la Dra. Ma. “Controlar la dirección de la polarización del espín de los electrones es una alternativa atractiva a la codificación digital binaria tradicional basada en la presencia o ausencia de una carga eléctrica. Es relativamente lento y puede causar problemas como el calentamiento del dispositivo. Sí, nuestra tecnología, de baja temperatura generar transferencia de información digital, combinada con superconductores, eventualmente podría usarse en computación cuántica”.
Los autores principales del estudio son el Dr. Hu Yong del Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza y el Dr. Wu Xianxin de la Academia de Ciencias de China en Beijing. Los autores correspondientes son el Dr. Hu y el Dr. Ma de CityU y el Prof. Shi Ming de PSI. Los colaboradores incluyeron al profesor Xie Weiwei de la Universidad de Rutgers, EE. UU., quien proporcionó las muestras, y al profesor Andreas Schnyder del Instituto Max Planck, Alemania.
Para este trabajo, el Dr. Ma recibió fondos de CityU, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y la Fundación de Investigación Básica Aplicada Básica de Guangdong. Otros colaboradores recibieron el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza, la Cooperación Sino-Suiza de Ciencia y Tecnología, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Programa de Ciencias de la Energía Básica del Departamento de Energía de EE. UU.