检测量子材料中的自旋电流的新方法释放了替代电子器件

精确测量流过量子材料表面的电子的神秘行为和磁性的新方法可以为下一代电子学开辟道路。

硅基半导体位于电子设备的核心,依赖于负责为电子设备供电的受控电流。这些半导体只能接收电子的能量电荷,但电子不仅仅带电荷。它们还具有称为自旋的固有角动量,这是量子材料的一个特征,虽然难以捉摸,但可以通过操纵来增强电子器件。

由能源部橡树岭国家实验室的李安平领导的一个科学家团队开发了一种创新的显微技术来检测拓扑绝缘体中的电子自旋,拓扑绝缘体是一种可用于此类应用的新型量子材料。作为自旋电子学和量子计算。

“自旋电流,即移动电子的总角动量,是拓扑绝缘体中的一种行为,在开发自旋敏感方法之前无法解释,”Li说。

电子设备继续快速发展,需要更多的功率包装到更小的组件中。这促使人们需要更低成本,更节能的电荷电子设备替代品。拓扑绝缘体沿其表面承载电流,而在散装材料内更深,它充当绝缘体。流过材料表面的电子表现出均匀的自旋方向,这与电子在不同方向上旋转的半导体不同。

“基于电荷的设备比基于自旋的设备的能源效率低,”李说。“为了使旋转有用,我们需要控制它们的流动和方向。”

为了检测并更好地理解这种古怪的粒子行为,该团队需要一种对移动电子自旋敏感的方法。他们的新显微镜方法是在Bi 2 Te 2 Se 单晶上测试的,Bi 2 Te 2 Se是一种含有铋,碲和硒的材料。它测量了沿着材料表面产生多少电压,因为电子流在特定点之间移动,同时感测每个电子自旋的电压。

这种新方法建立在四探针扫描隧道显微镜的基础上,该显微镜是一种可通过四个可移动探测尖端精确定位材料原子活动的仪器 - 通过添加一个组件来观察材料表面上电子的自旋行为。该方法不仅包括自旋灵敏度测量。它还将电流限制在表面上的一个小区域,这有助于防止电子逃离表面,从而提供高分辨率的结果。

“我们成功地检测到了电子自旋电流产生的电压,”李先生说,他与“ 物理评论快报”( Physical Review Letters)发表的一篇论文合着 ,解释了这种方法。“这项工作为拓扑绝缘体中的自旋电流提供了明确的证据,并开辟了研究最终可能应用于下一代电子器件的其他量子材料的新途径。”

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