Nieuw ontdekte Fermi-bogen die door magnetisme kunnen worden bestuurd, kunnen de toekomst zijn van elektronica op basis van elektronenspins. Deze nieuwe Fermi-bogen werden ontdekt door een team van onderzoekers van Ames Laboratory en Iowa State University, evenals medewerkers uit de Verenigde Staten, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk. Tijdens hun onderzoek naar het zeldzame-aarde monopnictide NdBi (neodymium-bismut), ontdekte het onderzoeksteam een ​​nieuw type Fermi-boog die verscheen bij lage temperaturen toen het materiaal antiferromagnetisch werd, d.w.z. naburige spins wijzen in tegengestelde richtingen.

Fermi-oppervlakken in metalen vormen een grens tussen energietoestanden die bezet en onbezet zijn door elektronen. Fermi-oppervlakken zijn normaal gesproken gesloten contouren die vormen vormen zoals bollen, eivormig, enz. Elektronen op het Fermi-oppervlak regelen veel eigenschappen van materialen zoals elektrische en thermische geleidbaarheid, optische eigenschappen, enz. In uiterst zeldzame gevallen bevat het Fermi-oppervlak losgekoppelde segmenten die staan ​​bekend als Fermi-bogen en worden vaak geassocieerd met exotische toestanden zoals supergeleiding.

Adam Kaminski, leider van het onderzoeksteam, legde uit dat nieuw ontdekte Fermi-bogen het resultaat zijn van splitsing van elektronenbanden, wat het gevolg is van de magnetische orde van Nd-atomen die 50% van het monster uitmaken. De elektronensplitsing die het team in NdBi observeerde, was echter geen typisch bandsplitsingsgedrag.

Er zijn twee gevestigde soorten bandsplitsing, Zeeman en Rashba. In beide gevallen behouden de banden na het splitsen hun oorspronkelijke vorm. De bandsplitsing die het onderzoeksteam waarnam, resulteerde in twee banden met verschillende vormen. Naarmate de temperatuur van het monster daalde, nam de scheiding tussen deze banden toe en veranderden de bandvormen, wat wijst op een verandering in de fermionmassa.

"Deze splitsing is heel, heel ongebruikelijk, omdat niet alleen de scheiding tussen die banden toeneemt, maar ze ook de kromming veranderen", zei Kaminski. "Dit is heel anders dan al het andere dat mensen tot nu toe hebben waargenomen."

De eerder bekende gevallen van Fermi-bogen in Weyl-halfmetalen blijven bestaan ​​omdat ze worden veroorzaakt door de moeilijk te controleren kristalstructuur van het materiaal. De Fermi-bogen die het team in NdBi ontdekte, worden echter veroorzaakt door magnetische ordening van de Nd-atomen in het monster. Deze volgorde kan gemakkelijk worden gewijzigd door een magnetisch veld aan te leggen en mogelijk door het Nd-ion te vervangen door een ander zeldzaam aarde-ion zoals Cerium, Praseodymium of Samarium (Ce, Pr of Sm). Aangezien Ames Lab een wereldleider is op het gebied van onderzoek naar zeldzame aarde, kunnen dergelijke veranderingen in samenstelling gemakkelijk worden onderzocht.

"Dit nieuwe type Fermi-bogen verschijnt wanneer het monster antiferromagnetisch wordt. Dus wanneer het monster magnetische orde ontwikkelt, verschijnen deze bogen schijnbaar uit het niets", zei Kaminski.

Volgens Kaminski is een ander belangrijk kenmerk van deze nieuwe Fermi-bogen dat ze een zogenaamde spintextuur hebben. In normale metalen wordt elke elektronische toestand ingenomen door twee elektronen, één met een spin-up, één met een spin-down, dus er is geen netto spin. De nieuw ontdekte Fermi-bogen hebben een enkele oriëntatie van spin op elk van hun punten. Omdat ze alleen in een magnetisch geordende toestand bestaan, kunnen de bogen zeer snel worden in- en uitgeschakeld door een magnetische puls toe te passen, bijvoorbeeld van een ultrasnelle laser.

"Het hebben van zo'n spindecoratie of spintextuur is belangrijk omdat een van de speurtochten in de elektronica is om weg te gaan van de op lading gebaseerde elektronica. Alles wat je nu gebruikt, is gebaseerd op bewegende elektronen in draden en dat veroorzaakt dissipatie," zei Kaminski.

Het vermogen om de spin van elektronen te beheersen heeft betrekking op een nieuwe tak van informatietechnologie, spintronica genaamd, die is gebaseerd op elektronenspin in plaats van op bewegende ladingen langs draden.

"In plaats van een lading te verplaatsen, draaien we de oriëntatie van de spin om of veroorzaken de voortplanting van de spin langs de draad", legt Kaminski uit. "Deze spin-veranderingen zouden technisch gezien geen energie moeten dissiperen, dus het kost niet veel energie om informatie op te slaan als spin of om informatie als spin te verplaatsen."

Kaminski benadrukte het belang van deze bevinding voor het veld, maar hij zei dat er nog veel werk moet worden verzet voordat deze bevindingen in nieuwe technologie kunnen worden gebruikt.

Dit onderzoek wordt verder besproken in het artikel "Emergence of Fermi arcs due to magnetische splitsing in een antiferromagnet", geschreven door B. Schrunk, Y. Kushnirenko, B. Kuthanazhi, J. Ahn, L.-L. Wang, E. O'Leary, K. Lee, A. Eaton, een. Fedorov, R. Lou, V. Voroshnin, O.J. Clark, J. Sanchez-Barriga, S.L. Bud'ko, R.-J. Slager, PC Canfield, en A. Kaminski; en gepubliceerd in Natuur . + Verder verkennen

Uitlezing van een antiferromagnetisch spintronica systeem door sterke wisselkoppeling