新型磁性拓扑材料：让电子器件功耗更低！

导读

最近，美国科学家首次对于新型磁性拓扑材料的特性进行了观测，发现了其载流子具有极高的迁移率，且质量几乎为零，为新一代低功耗电子器件的研究提供了新的可能性。

关键字

背景

现代电子工业的进步与硬件的发展密不可分，特别是晶体管在每一次新的迭代中都会变得更加小型化。最近，随着纳米技术的进步，硅晶体管的尺寸成功地降低到10纳米的数量级。

然而，晶体管尺寸变到这么小，随之而来的是一些列其他的物理效应，限制它们的功能。例如，这些器件产生的功耗和热量，为设计带来了大麻烦。因此，为了开发新一代节能的信息技术，需要引入新型的量子材料和器件概念。

拓扑材料的出现（一种新型的相对论量子材料）为节能电子产品带来了新的巨大希望。

创新

最近，由美国路易斯安那州立大学物理和天文学系主席  John F. DiTusa  教授和杜兰大学 Zhiqiang Mao 教授领导的路易斯安那中子散射联合会（LaCNS）的研究人员，与美国橡树岭国家实验室、国家高磁场实验室、佛罗里达州立大学和新奥尔良大学的研究人员协力合作，报告了首次对于磁场中的这种拓扑行为的观测。这些研究成果发表于这周的《自然材料》杂志。

下面这张图描述了新发现的 Sr1-yMn1-zSb2 的磁性和电子状态，通过描述这种材料晶体结构中原子位置的球体表示。锶（Sr）通过紫罗兰色小球表示；锑（Sb）通过蓝色大球表示；锰（Mn）通过紫色球表示。Mn 原子上的箭头表示这些原子的磁矩，它们按照一致反向对齐，让 Sr1-yMn1-zSb2 具有磁性。同时，它也描述了导电电子或者载流子的能量和动量状态，具有像金色的狄拉克锥一般的色散关系。

（图片来源：美国橡树岭国家实验室）

技术

“拓扑材料”指的是一些材料，其中载流电子像光子（组成光的粒子）一样没有质量。令人惊讶的是，这些电子状态是强健的，对于缺陷和混乱具有免疫功能，因为由于对称性，它们不会发生散射。

这种对称性保护带来了极高的载流子迁移率，使得电阻很小甚至为零。这一结果预计将大幅减少电子器件产生的热量，提高节能效率。

这种新型磁体的载流子几乎没有质量。这种磁性为它带来了重要的对称性破缺，即时间反演对称性，也称“TRS”。随着时间倒回，该能力将让系统无法再返回其初始条件。这种相对论电子行为的组合，引起了载流子质量的大幅降低。而且TRS破坏一直被认为引起了更加不寻常的行为，更多地寻找具有磁性的Weyl(外尔)半金属相。

价值

DiTusa 称：

“这个首次观测成为了新型量子材料发展的重要里程碑，它的发现为后续探索开启了新机遇。这种几乎无质量的载流子行为，为新型极低功耗器件的概念研究提供了新的可能性。”

这项合作研究所发现的这种优秀材料，被认为可用于研究外尔相的证据，并且发现其相关后果。

参考资料

【1】http://www.lsu.edu/mediacenter/news/2017/07/28physastro_ditusa_naturematls.php

【2】“A magnetic topological semimetal Sr1-yMn1-zSb2 (y, z < 0.1),” Nature Materials (doi:10.1038/nmat4953):http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4953.html

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