控制电磁特性的新手柄将使自旋电子计算成为可能

时间:2020-04-14 17:57 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

控制电磁特性的新手柄将使自旋电子计算成为可能

杜克大学(Duke University)的材料科学家首次给出了明确的例子,证明材料向磁铁的转变可以控制其晶体结构的不稳定性,从而使其从导体转变为绝缘体。

如果研究人员能够学会控制六边形硫化铁中所确定的物理性质之间的这种独特联系,就可能使自旋电子计算等新技术成为可能。研究结果发表在4月13日的《自然物理》杂志上。

通常被称为troilite的六方硫化铁原产于地球,但在陨石中含量更多,特别是来自月球和火星的陨石。地球上的大多数三长石很少出现在地壳中,人们认为它们起源于太空。

尽管troilite相对稀少,但自1862年以来,人们对troilite的研究并没有引起太多关注。然而,最近的一篇理论论文提出,在华氏289度和602度之间可能有新的物理现象在起作用——在这个温度范围内,troilite既具有磁性又具有绝缘性。

杜克大学机械工程与材料科学、物理与化学副教授奥利维耶·德莱尔(Olivier Delaire)说:“这篇论文从理论上说明,原子在晶体结构中的移动,通过一种以前从未见过的相当复杂的效应,正在影响这种矿物的性质。”“最重要的方面是磁性和原子动力学之间的相互作用,这是一个以前没有被深入研究过的课题,但它为计算技术开辟了新的可能性。”

为了弄清这种材料古怪行为的核心,德莱尔和他的同事们求助于田纳西大学实验凝聚态物理学助理教授周海东(音译),以完成培育三伊利石完美晶体的艰巨任务。然后,研究人员将样本分别送到橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室,分别用中子和x射线轰击它们。

当粒子(如中子或x射线)从材料内部的原子反弹时,研究人员可以利用这些散射信息重建材料的原子结构和动力学。因为中子有自己的内部磁矩,它们也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很弱,x射线在解决材料的原子结构和微小晶体中的原子振动方面也很方便。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,比较了两种不同扫描的结果,以确保他们理解发生了什么。

在观察了troilite的相变后,研究人员发现了之前未发现的机制。在高温下,磁旋光体原子的磁自旋指向随机的方向,使材料无磁性。但是一旦温度下降到华氏602度以下,磁矩自然对齐,磁铁就诞生了。

这些磁性自旋的排列改变了原子的振动动力学。这种转移导致整个水晶原子结构轻微变形,进而产生电子无法跨越的带隙。这就导致了troilite失去了它的导电能力。

“这是第一个明确的例子,磁自旋的排列可以控制材料晶体结构的不稳定性,”Delaire说。“由于这些不稳定性导致了晶体的磁性和导电性之间的联系,这是一种令人兴奋的材料,它能使新型设备成为可能。”

Delaire说,通过电流调整材料的磁性状态,反之亦然,这种能力对于实现诸如自旋电子等技术至关重要。这个新兴的领域被简称为自旋电子学,它试图利用电子固有的自旋和相关的磁矩来存储和操作数据。再加上电子在计算中的传统角色,这将使计算机处理器变得更加密集和高效。

通过这篇论文,Delaire和他的同事已经确定了晶体结构的扭曲机制的磁性控制,给了研究人员一个操纵另一个的把手。虽然这个把手目前是基于温度变化,研究人员的下一步是观察外部磁场如何影响材料的原子动力学。

Delaire说,不管troilite是否会成为下一代计算技术的新硅材料,在如此著名的材料中发现这种独特的机制对整个领域来说都是一个很好的教训。

Delaire说:“令人惊讶的是,即使你有一个相对简单的化合物,你却可以有这种神奇的机制,最终使新技术成为可能。”“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。”

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