全球首個二維半金屬材料獲驗證
原標題：全球首個二維半金屬材料獲驗證
兩個原子厚的鐵和鈀層（左圖，黃色/紅色）。圖片來源：德國于利希研究中心
科技日報訊 （記者張佳欣）德國于利希研究中心的研究人員研制出全球首個二維半金屬材料并獲實驗證實。該材料是一種僅允許單一自旋方向（“自旋向上”或“自旋向下”）電子導電的材料。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《物理評論快報》，標志著新一代高能效自旋電子學材料研究取得重要突破。
半金屬是實現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵材料。與傳統(tǒng)導體不同，半金屬只允許一種自旋方向的電子通過，因此成為自旋電子學的理想選擇。這一新興的信息技術(shù)不僅利用電子的電荷，還能利用其自旋進行數(shù)據(jù)存儲與處理，而傳統(tǒng)電子技術(shù)則只能利用電荷。
然而，以往所有已知半金屬都只能在極低溫環(huán)境下工作，而且其表面常常失去所需的特殊電子特性，極大限制了實際應(yīng)用?，F(xiàn)在，研究人員在鈀晶體上構(gòu)建出一種由鐵和鈀組成、厚度僅為兩個原子的超薄合金，首次實現(xiàn)二維半金屬性。他們借助先進的“自旋分辨動量顯微鏡”技術(shù)，精確測量到該合金僅允許一種自旋類型的電子導電，證實了二維半金屬的存在。
研究人員表示，這種材料并不依賴理想的晶體結(jié)構(gòu)，這對于實際生產(chǎn)來說是個極大利好，而且通過調(diào)節(jié)鐵的含量還能對其電子特性進行精準調(diào)控。
過去，人們一直認為自旋軌道耦合（即電子自旋與其運動狀態(tài)之間的相互作用）會妨礙半金屬性的形成。但新研究發(fā)現(xiàn)，如果將鐵原子帶來的磁交換作用與自旋軌道耦合進行精確平衡，自旋軌道耦合反而有助于實現(xiàn)半金屬性。
這種新材料有望成為構(gòu)建自旋電子元件（如自旋濾波器、自旋軌道轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)等）的基礎(chǔ)，而這些元件正是磁存儲芯片中實現(xiàn)狀態(tài)切換的關(guān)鍵所在。更重要的是，該材料在室溫下依然保持有效，并且易于與現(xiàn)有的薄膜技術(shù)集成，為其在實際器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
此外，這種材料還具備一項罕見特性，即其電子的自旋極化方向與磁化方向相反。這一特性為未來開發(fā)納米級磁性器件提供了新的可能。
