「カゴメ」金属結晶がエレクトロニクスに新たなスピンを加える

カゴメ金属の表面電子挙動の図。 ジャイロスコープは、基本粒子の固有の物理的特性の 1 つである「スピン」の類推にすぎません。 電子は図のように実際には回転しないことに注意してください。 クレジット: 香港城市大学

香港城市大学 (CityU) の物理学者が共同で率いる多国籍研究者チームは、結晶の独特な原子構造のおかげで、新しい金属結晶がその表面で異常な電子的挙動を示すことを発見しました。 彼らの発見は、この材料を使用して、より高速で小型のマイクロ電子デバイスを開発する可能性を開きます。

研究対象となったのは、最近発見されたガドリニウム(Gd)、バナジウム(V)、スズ(Sn)の3元素からなる金属化合物「カゴメ」です。 GdVに存在する3つの金属元素の比率を示すために「1-6-6」材料として分類されます6スン6 結晶。 原子は複雑だが規則的な幾何学的パターンで配置されており、異常な表面特性をもたらします。

通常、原子内の負に帯電した電子は、正に帯電した原子核からさまざまな距離にある離散的なエネルギー バンド内を動き回ります。 しかし、GdVの表面には6スン6、露出した原子の最上層は互いに相互作用し、トポロジー、つまりエネルギーバンドの形状と配置を変形させると予測されています。 理論的には、この変形は、これまで GdV で決定的に検出されていなかった新しい安定した電子特性を導入する可能性があります。6スン6 または他のカゴメ金属。

カゴメ金属の異常な表面電子挙動を初めて観測

「私たちのチームは、カゴメ金属が『トポロジー的に非自明なディラック表面状態』として知られるタイプの変化した電子エネルギーバンド構造を示すことができることを初めて明確に観察しました。 CityUの物理学科のMa Junzhang助教授。

「固有のスピンと電荷のために、電子は独自の磁場を作成し、回転と特定の傾きを指す角度の両方を持つ小さなジャイロスコープのように動作します。GdV でそれを実証しました。6スン6すると、表面の電子が再配列または「スピン偏極」し、それらの傾きが表面に垂直な共通の軸を中心に再配向します。」

「カゴメ」メタリッククリスタルがエレクトロニクスに新たなスピンを加える

GdV6Sn6 カゴメ結晶構造: (i) 単位格子。 (ii) V3Sn のカゴメ層を示す c 軸に沿った平面図。 クレジット: 科学の進歩 (2022)。 DOI: 10.1126/sciadv.add2024

共有軸の周りの電子の順序付けられた向きは、それらの「スピンキラリティー」であり、時計回りまたは反時計回りの方向のいずれかになります。 さらに重要なことに、研究チームは、結晶表面の単純な物理的修飾を実行することで、スピンキラリティを逆転させることに成功しました。 「スピン偏極した電子のスピンキラリティーは簡単に元に戻せることが分かったので、私たちの材料はスピントロニクス分野の次世代トランジスタに応用できる大きな可能性を秘めています。 マ。

で発表された研究 科学の進歩 2022 年 9 月 21 日に、GdV の特別な機能を考慮した後、新しい表面電子バンド構造の理論的予測に動機付けられました。6スン6 カゴメクリスタル。 たとえば、繰り返し V のレイヤー3Snサブユニットは、SnとGdSnの交互層の間に積み重ねられています2.

オーバー、複数の V3Snサブユニットは「カゴメ層」に幾何学的に配置され、六角形を囲む6つの正三角形の繰り返しパターンはカゴメ層に似ています かごめ 日本の竹籠編みに見られる格子。 最後に、V3Sn カゴメ層は非磁性ですが、GdSn2 層は磁気です。

まず、研究者はGdVを作りました6スン6 Gd、V、Sn金属を加熱し、徐冷して結晶化。 次に、単結晶X線回折で化学組成と構造を確認した後、積層した層から結晶を切断し、露出した表面を角度分解光電子分光法(ARPES)で分析しました。 結果は、切断された表面が実際に再形成されたエネルギーバンド構造を持っていることを明らかにし、さらなる分析は時計回りのスピン特性を示しました。

最後に、チームは、電子ドーピングとして知られるプロセスで表面をカリウム原子でコーティングすることにより、表面エネルギーバンドが大幅に歪む可能性があることを示しました。 その結果、電子スピンのカイラリティは、ドーピングレベルの増加とともに時計回りから反時計回りに切り替わりました。

「カゴメ」メタリッククリスタルがエレクトロニクスに新たなスピンを加える

表面電子のスピン キラリティー (緑の矢印) の反転を示すシミュレートされた定エネルギー等高線。(i) 元の GdV6Sn6 での時計回りから (ii) 表面電子にカリウムをドーピングした後の反時計回り。 クレジット: 科学の進歩 (2022)。 DOI: 10.1126/sciadv.add2024

情報伝達の改善とその先への応用例

GdV 上の表面電子のスピンキラリティーを意図的に逆転させる研究者の能力6スン6 結晶は、多くの実用的な電子アプリケーションの有望な候補材料になります。

「将来的には、電子バンド構造を直接操作または調整して、1-6-6カゴメ金属の表面の電子スピンキラリティーを交互にするために、局所電圧または静電「ゲート」を適用できるかもしれません。博士は言う。 マ。

「電子のスピン偏極の方向を制御することは、電荷の有無に基づいた従来のバイナリ デジタル コーディングに代わる魅力的な方法です。これは比較的遅く、デバイスの加熱効率などの問題を引き起こす可能性があります。私たちの技術は、大幅に増加する可能性があります。熱の発生が少ないデジタル情報転送は、超伝導体と組み合わせることで、最終的に量子コンピューティングで利用できる可能性があります。」

詳しくは:
Yong Hu et al、カゴメ金属 GdV 6 Sn 6 における調整可能なトポロジカル ディラック表面状態と van Hove 特異点、 科学の進歩 (2022)。 DOI: 10.1126/sciadv.add2024

香港城市大学提供

引用: 「カゴメ」金属結晶がエレクトロニクスに新たなスピンを加える (2022 年 10 月 27 日) https://phys.org/news/2022-10-kagome-metallic-crystal-electronics.html から 2022 年 11 月 12 日取得

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