识别，处理用于量子信息和自旋电子学的拓扑金属的新方法

从正常金属入射到Weyl半金属上的电子与保留动量，能量和自旋的反射一起传输到Weyl半金属中的特定状态。没有电子净流的净自旋电流会在Weyl半金属中产生充电电流。

拓扑材料已成为量子信息和自旋电子学的潜在应用，已成为量子材料研究的热门话题。这是因为拓扑材料具有奇怪的电子状态，在这种状态下，电子的动量与其自旋方向相关联，可以用新的方式利用这种状态来编码和传输信息。一种类型的拓扑材料，称为磁性Weyl半金属，由于其潜在的被磁场操纵的能力而引起了人们的兴趣。

但是，由于这些材料太新了，科学家很难鉴定和表征Weyl半金属。美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的科学家最近进行的理论和建模研究，不仅可以为研究人员提供一种更轻松的发现Weyl半金属的方法，而且还可以为潜在的自旋电子器件更轻松地操纵它们。

“我们想知道半金属中是否存在某种特征，如果我们试图让电流流过它，我们就可以看到它的特征，这就是它是Weyl半金属。”—阿贡材料科学家Olle Heinonen

以前研究Weyl半金属的尝试依赖于复杂的技术，该技术需要X射线或激光源以及精心准备的样品。为了简化对半金属的观察，阿贡大学的研究人员建议使用两种基本性质（电子自旋和电荷）之间的关系来揭示拓扑材料的性质，并为科学家提供使用它们的新方法。

Argonne材料科学家Olle Heinonen表示：“我们想知道半金属中是否存在某种特征，如果我们试图在其中流过电流，就可以看出它是Weyl半金属的特征。”

为了在Weyl半金属中产生充电电流，Heinonen首先提出了在正常金属和Weyl半金属之间的界面处注入自旋电流的方法。虽然自旋电流涉及电子的涌入，其自旋指向特定的方向，但由于相反方向的电子被另一方向拉动，因此没有注入净电荷。

他说：“你可以把它想象成让两名游泳者在游泳池中相反的方向，一名进行自由泳，另一项进行仰泳。”“没有游泳的净方向，但是有大量的自由泳。”

通过优先将自旋从正常金属转移到Weyl半金属中，研究人员发现，半金属需要找到在电子结构中容纳具有特定自旋的电子的方法。海诺宁说：“你不能随便把任何电子粘在任何地方。”

相反，研究人员发现电子趋向于将自旋重新分布到那些可用且在能量上有利的地方。“您可能无法使所有自旋都适合一种特定的电子状态，但是您可以使不同状态下的少量自旋适合总计相同的量，” Heinonen说。“想象一下，如果有波浪撞到岩石上，您仍然有相同数量的水流向不同的方向。”

当电子遇到Weyl半金属时，以这种方式“分解”时，不同的电子态以不同的速度传播，从而产生充电电流。根据测量该电流的方向（例如，从上到下或从左到右），科学家看到了不同的结果。

Heinonen说：“电子的分解方式与Weyl半金属中的能量，动量和自旋之间的关系非常敏感。”“结果，充电电流的方向如何变化与Weyl半金属的特性直接相关，因此您可以确定其拓扑特性。”

观察各向异性或在Weyl半金属中沿不同方向测量时的充电电流差异，为研究人员提供了两条信息。首先，它揭示了材料的Weyl性质，但更重要的是，它允许研究人员调整材料的特性。Heinonen说：“我们看到的响应非常有趣，因为它是Weyl半金属，而且由于它具有有趣的各向异性响应，因此我们可能可以在某些设备中利用它。”“就人们实际制造许多Weyl半金属而言，我们领先于曲线，但这为我们提供了一种便宜的方法来测试和试验一种可能会变得越来越流行的材料。”

基于该研究的论文“磁性Weyl半金属的自旋至电荷转换”发表在2019年11月1日的《物理评论快报》上。Argonne的Ivar Martin，现为Case Western Reserve大学物理助理教授的Zhang Shuii Zhang和滑铁卢大学的Anton Burkov也进行了这项研究。

参考：Steven S.-L的“磁性Weyl半金属的自旋至电荷转换”。张，安东·伯科夫（Anton A.Burkov），伊瓦尔·马丁（Ivar Martin）和奥勒·G·海诺宁（Olle G.Heinonen），2019年10月30日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.123.187201

这项工作是由美国能源部科学办公室资助的。