在Troilite中研究新型物理可以启用自旋电子计算

硫化铁的大而完美的晶体经过艰苦的生长，用于研究实验，以探究原子跃迁在磁跃变中的变化。

三叶草的磁性转变会导致“太空金属”结构不稳定，从而将其从导体转变为绝缘体。

杜克大学的材料科学家已经展示出第一个明确的例子，即材料转变成磁体可以控制其晶体结构的不稳定性，从而导致其从导体变为绝缘体。

如果研究人员能够学习控制六边形硫化铁中识别的物理特性之间的这种独特联系，那么它就可以实现自旋电子计算等新技术。结果显示在2020年4月13日的《自然物理学》杂志上。

六方铁硫化物通常被称为三叶草，可以天然存在于地球上，但在陨石中含量更高，尤其是来自月球和火星的陨石。地球上大多数三叶草很少在地壳中遇到，据信起源于太空。

尽管三叶草相对稀少，但自1862年以来就一直对其进行研究，而没有大张旗鼓。但是，最近的一篇理论论文建议，在289至602华氏度之间的温度下可能会有新的物理学在起作用，这是三叶草同时变成磁性和绝缘体的温度范围。

“理论上，原子在其晶体结构中移动的方式通过前所未有的相当复杂的作用影响着矿物的性质，”机械工程与材料科学，物理与化学副教授奥利维尔·德莱尔（Olivier Delaire）说。公爵。“最重要的方面是磁性能和原子动力学之间的相互作用，这是一个尚未被广泛研究的主题，但正在为计算技术开辟新的可能性。”

为了了解这种材料奇怪行为的本质，​​Delaire和他的同事们向田纳西大学实验凝聚态物理助理教授周海东（音译）求助，以完成完美的三叶草晶体生长这一艰巨的任务。然后，研究人员将样本带到橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室，分别用中子和X射线对其进行爆炸。

当诸如中子或X射线等粒子从材料中的原子反弹时，研究人员可以利用这些散射信息来重建其原子结构和动力学。由于中子具有自己的内部磁矩，因此它们还可以揭示每个原子的磁自旋方向。但是，由于中子与原子的相互作用较弱，因此X射线对于解析材料的原子结构和微小晶体中的原子振动也非常方便。研究人员使用在劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机上创建的量子力学模型比较了两次不同扫描的结果，以确保他们了解正在发生的事情。

在观察了三叶草的相变发生的变化后，研究人员发现了以前看不见的作用机理。在高温下，三叶草原子的磁性自旋指向随机方向，使材料无磁性。但是，一旦温度降至华氏602度以下，磁矩自然会对齐，从而产生了一块磁铁。

那些磁性自旋的排列改变了原子的振动动力学。这种移动使整个晶体原子结构发生轻微变形，从而形成了一个带隙，电子无法跨越该带隙。这导致三叶草失去导电能力。

Delaire说：“这是第一个明确的例子，表明磁性自旋的排列可以控制材料晶体结构的不稳定性。”“而且由于这些不稳定性导致晶体的磁性和电导率特性之间存在联系，因此，在启用新型设备方面，这种材料令人兴奋。”

Delaire说，通过施加电流来调节材料的磁性状态的能力，反之亦然，对于实现自旋电子学等技术至关重要。这个新兴的领域简称为自旋电子学，旨在利用电子的固有自旋和相关的磁矩来存储和处理数据。结合电子在计算中的传统作用，这将使计算机处理器变得更密集，更高效。

通过这篇论文，Delaire和他的同事们确定了晶体结构畸变机理的磁性控制，为研究人员提供了一种操纵彼此的手柄。虽然该手柄当前基于温度变化，但研究人员的下一步是研究施加外部磁场，以了解它们如何影响材料的原子动力学。

德莱尔说，无论三叶草是否成为下一代计算技术的新型硅，在如此知名的材料中发现这种独特的机理对于整个领域都是一个很好的教训。

Delaire说：“令人惊讶的是，即使您拥有相对简单的化合物，您仍然可以拥有这种花哨的机制，最终可以启用新技术。”“从某种意义上说，这是一个警钟，我们需要重新考虑一些更简单的材料，以便在其他地方寻找类似的效果。”

参考：Dipanshu Bansal，Jennifer L. Niedziela，Stuart Calder，Tyson Lanigan-Atkins，Ryan Rawl，Ayman H. Said，Douglas L. Abernathy，Alexander I等人“由磁性驱动的声子不稳定性使h-FeS中的金属-绝缘体转变成为可能”。 Kolesnikov，周海东和奥利维尔·德莱尔（Olivier Delaire），2020年4月13日，自然物理学.DOI：
10.1038 / s41567-020-0857-1

这项研究得到了能源部（DE-SC0016166，DE-SC0019978，DE-AC02-06CH11357，DE-AC02-05CH11231，DE-AC05-00OR22725）和国家科学基金会（DMR-1350002）的支持。