Материал, который был изучен, представляет собой недавно открытое металлическое соединение "кагоме", состоящее из трех элементов: гадолиния (Gd), ванадия (V) и олова (Sn). Он классифицируется как материал "1-6-6", чтобы указать соотношение трех металлических элементов, присутствующих в GdV₆Ст.₆ кристалл. Атомы расположены в сложном, но правильном геометрическом узоре, что приводит к необычайным характеристикам поверхности.

Обычно отрицательно заряженные электроны в атомах перемещаются в пределах дискретных энергетических полос на разных расстояниях от положительно заряженных ядер. Однако на поверхности GdV₆Ст.₆ Прогнозируется, что верхние слои открытых атомов будут взаимодействовать друг с другом и деформировать топологию, то есть форму и расположение энергетических полос. Теоретически, эта деформация может привести к появлению нового и стабильного электронного свойства, которое до сих пор не было окончательно обнаружено в GdV₆Ст.₆ или любой другой металл кагоме.

Первое наблюдение необычного электронного поведения поверхности в металле кагоме

"Наша команда впервые однозначно обнаружила, что металл кагоме может демонстрировать измененные электронные структуры энергетических зон типа, известного как "топологически нетривиальные поверхностные состояния Дирака", - говорит доктор Ма Цзюнчжан, доцент кафедры физики в CityU. "Из-за их собственного вращения и заряда электроны создают свое собственное магнитное поле и ведут себя как крошечные гироскопы, которые имеют как вращение, так и угловой наклон, указывающий в определенном направлении. Мы продемонстрировали это в GdV₆Ст.₆, поверхностные электроны становятся переупорядоченными или "спин-поляризованными", и их наклоны переориентируются вокруг общей оси, которая перпендикулярна поверхности".

Упорядоченная ориентация электронов вокруг общей оси - это их "спиновая хиральность", которая может быть как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Что еще более важно, исследовательская группа смогла успешно обратить вспять спиновую хиральность, выполнив простую физическую модификацию поверхности кристалла. "Поскольку мы обнаружили, что спиновая хиральность спин-поляризованных электронов легко обратима, наш материал обладает большим потенциалом для применения в транзисторах следующего поколения в области спинтроники", - добавляет доктор Ма.

Исследование, опубликованное в Научные достижения 21 сентября 2022 года был мотивирован теоретическими предсказаниями новых поверхностных электронных зонных структур после рассмотрения особенностей GdV₆Ст.₆ кристаллы кагоме. Например, слои повторяющихся V₃Субъединицы Sn укладываются между чередующимися слоями Sn и GdSn₂. Кроме того, несколько V₃Субъединицы Sn расположены геометрически в "слое кагоме", повторяющийся рисунок которого из шести равносторонних треугольников, окружающих шестиугольник, напоминает кагоме решетка, используемая в японском плетении бамбуковых корзин. Наконец, V₃Слой Sn kagome немагнитен, тогда как GdSn₂ слой является магнитным.

Во-первых, исследователи сделали GdV₆Ст.₆ кристаллы путем нагревания металлов Gd, V и Sn и медленного охлаждения продукта. Затем, после подтверждения химического состава и структуры с помощью монокристаллической рентгеновской дифракции, они расщепили кристалл через сложенные слои и проанализировали открытую поверхность с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, или ARPES. Результаты показали, что расщепленная поверхность действительно обладала измененными структурами энергетических зон, и дальнейший анализ продемонстрировал характер вращения по часовой стрелке. Наконец, команда показала, что поверхностные энергетические полосы могут быть сильно искривлены путем покрытия поверхности атомами калия в процессе, известном как электронное легирование. В результате спиновая хиральность электронов переключалась с часовой стрелки на против часовой стрелки с увеличением уровня легирования.

Потенциальные приложения для улучшения передачи информации и за ее пределами

Способность исследователей намеренно изменять спиновую хиральность поверхностных электронов на GdV₆Ст.₆ кристалл делает его многообещающим материалом-кандидатом для многочисленных практических электронных применений.

"В будущем мы могли бы применять локальное напряжение, или электростатический "затвор", для непосредственного управления или настройки электронной зонной структуры и, следовательно, чередования электронной спиновой хиральности на поверхности металлов 1-6-6 kagome", - говорит доктор Ма. "Управление направлением спиновой поляризации электронов является привлекательной альтернативой традиционному двоично-цифровому кодированию, основанному на наличии или отсутствии электрического заряда, которое является относительно медленным и может привести к таким проблемам, как нагрев устройства. Наша технология может значительно повысить эффективность передачи цифровой информации при меньшем выделении тепла и в конечном итоге может быть использована в квантовых вычислениях в сочетании со сверхпроводниками".

Первыми авторами исследования являются доктор Ху Юн из Института Пола Шеррера (PSI), Швейцария, и доктор Ву Сяньсинь из Китайской академии наук, Пекин. Соответствующими авторами являются доктор Ху, доктор Ма из CityU и профессор Ши Мин из PSI. Среди сотрудников были профессор Се Вэйвэй из Университета Ратгерса, США, который предоставил образцы, и профессор Андреас Шнайдер из Института Макса Планка, Германия.

В этой работе доктор Ма финансировался CityU, Национальным фондом естественных наук Китая и Гуандунским фондом фундаментальных и прикладных исследований. Другие сотрудники были поддержаны Швейцарским национальным научным фондом, Китайско-швейцарским научно-техническим сотрудничеством, Национальным фондом естественных наук Китая и Программой фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.