Nyupptäckta Fermi-bågar som kan styras genom magnetism kan vara framtiden för elektronik baserad på elektronsnurr. Dessa nya Fermi-bågar upptäcktes av ett team av forskare från Ames Laboratory och Iowa State University, samt medarbetare från USA, Tyskland och Storbritannien. Under sin undersökning av den sällsynta jordartsmetallen monopnictide NdBi (neodym-vismut) upptäckte forskargruppen en ny typ av Fermi-båge som uppträdde vid låga temperaturer när materialet blev antiferromagnetiskt, det vill säga närliggande spinn pekar i motsatta riktningar.

Fermiytor i metaller är en gräns mellan energitillstånd som är upptagna och obesatta av elektroner. Fermi-ytor är normalt slutna konturer som bildar former som sfärer, äggformar etc. Elektroner på Fermi-ytan styr många egenskaper hos material såsom elektrisk och värmeledningsförmåga, optiska egenskaper etc. I extremt sällsynta fall innehåller Fermi-ytan frånkopplade segment som är kända som fermibågar och är ofta förknippade med exotiska tillstånd som supraledning.

Adam Kaminski, ledare för forskargruppen, förklarade att nyupptäckta Fermi-bågar är resultatet av elektronbandsdelning, vilket är ett resultat av den magnetiska ordningen av Nd-atomer som utgör 50 % av provet. Elektronuppdelningen som teamet observerade i NdBi var dock inte typiskt banduppdelningsbeteende.

Det finns två etablerade typer av banddelning, Zeeman och Rashba. I båda fallen behåller banden sin ursprungliga form efter splittring. Banddelningen som forskargruppen observerade resulterade i två band med olika former. När temperaturen på provet minskade ökade separationen mellan dessa band och bandformerna ändrades, vilket tyder på en förändring i fermionmassan.

"Denna splittring är väldigt, väldigt ovanlig, eftersom inte bara separationen mellan dessa band ökar, utan de förändrar också krökningen," sa Kaminski. "Detta skiljer sig mycket från allt annat som folk har observerat hittills."

De tidigare kända fallen av fermibågar i Weyl-halvmetaller kvarstår eftersom de orsakas av materialets kristallstruktur som är svår att kontrollera. Fermi-bågarna som teamet upptäckte i NdBi induceras dock av magnetisk ordning av Nd-atomerna i provet. Denna ordning kan lätt ändras genom att applicera ett magnetfält, och eventuellt genom att ändra Nd-jonen för en annan sällsynt jordartsmetalljon såsom Cerium, Praseodymium eller Samarium (Ce, Pr eller Sm). Eftersom Ames Lab är världsledande inom forskning om sällsynta jordartsmetaller kan sådana förändringar i sammansättning lätt utforskas.

"Denna nya typ av Fermi-bågar dyker upp när provet blir antiferromagnetiskt. Så när provet utvecklar magnetisk ordning, dyker dessa bågar bara upp till synes från ingenstans", sa Kaminski.

Enligt Kaminski är en annan viktig egenskap hos dessa nya Fermi-bågar att de har vad som kallas spinnstruktur. I normala metaller är varje elektroniskt tillstånd upptaget av två elektroner, en med ett spin upp, en med ett spin ner, så det finns inget nettospin. De nyupptäckta Fermi-bågarna har enkel orientering av spinn vid var och en av sina punkter. Eftersom de endast existerar i ett magnetiskt ordnat tillstånd kan bågarna slås på och av mycket snabbt genom att applicera en magnetisk puls, till exempel från en ultrasnabb laser.

"Att ha en sådan spindekoration eller spinnstruktur är viktigt eftersom ett av uppdragen inom elektronik är att flytta bort från den laddningsbaserade elektroniken. Allt som du använder nu är baserat på att flytta elektroner i ledningar och det orsakar förlust," sa Kaminski.

Förmågan att kontrollera elektronernas spinn relaterar till en ny gren av informationsteknologi som kallas spintronics, som är baserad på elektronspin snarare än på laddningar som rör sig längs ledningar.

"Istället för att flytta en laddning vänder vi antingen rotationens orientering eller orsakar utbredningen av spinnet längs tråden," förklarade Kaminski. "Dessa snurrförändringar bör tekniskt sett inte försvinna energi, så det kostar inte mycket energi att lagra information som spin eller att flytta information som spin."

Kaminski betonade vikten av detta fynd för fältet, men han sa att det fortfarande återstår mycket arbete innan dessa fynd kan användas i ny teknik.

Denna forskning diskuteras vidare i artikeln "Uppkomsten av fermibågar på grund av magnetisk splittring i en antiferromagnet", författad av B. Schrunk, Y. Kushnirenko, B. Kuthanazhi, J. Ahn, L.-L. Wang, E. O'Leary, K. Lee, A. Eaton, a. Fedorov, R. Lou, V. Voroshnin, O.J. Clark, J. Sanchez-Barriga, S.L. Bud'ko, R.-J. Slager, P.C. Canfield och A. Kaminski; och publicerad i Nature . + Utforska vidare

Avläsning av ett antiferromagnetiskt spintroniksystem genom stark utbyteskoppling