科学家找到了识别、操纵拓扑金属电子自旋的新方法

 刚刚发表在《 物理评论快报》上的研究论文：“磁性魏尔半金属中的自旋至电荷转换”（Spin-to-Charge Conversion in Magnetic Weyl Semimetals）表明，科学家找到了识别、操纵拓扑金属电子自旋的新方法。

魏尔半金属指一种固态晶体，其低能激发是魏尔费米子，即使在室温下也能带电荷。魏尔半金属可实现电子系统中魏尔费米子的实现。魏尔费米子是一种无质量费米子，在量子理论和标准模型中发挥重要作用。魏尔费米子被认为是量子理论中费米子一部分。

拓扑绝缘体是一种内部绝缘，界面允许电荷移动的材料。拓扑材料已成为量子材料和自旋电子学的潜在的重要应用，成为量子材料研究的热门话题。这是因为拓扑材料具有奇怪的电子状态，其中电子的动量与其自旋方向相关联，可以用新的方式利用这种状态来编码和传输信息。魏尔半金属就是这样一种类型的拓扑材料，由于其潜在的磁场处理能力而备受关注。

但是，由于这些材料太新，科学家很难鉴定和表征魏尔半金属。 美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的科学家最近进行的理论和建模研究，不仅可以为研究人员提供一种更简单的发现魏尔半金属的方法，而且还可以为潜在的自旋电子器件更为轻松地操纵它们。

以前研究魏尔半金属依赖于复杂的技术，该技术需要X射线或激光源以及精心准备的样品。为了简化对半金属的观察，研究人员建议使用电子自旋和电荷这两种基本性质之间的关系来揭示拓扑材料的性质，并为科学家提供新的使用方法。

为了在魏尔半金属中产生充电电流，研究人员首先建议在普通金属和魏尔半金属之间的界面处注入自旋电流。 尽管自旋电流涉及电子的涌入，其自旋指向特定方向，但由于相反方向的电子被另一方向拉动，因此没有注入净电荷。这就如两个游泳者在游泳池里相反地运动，一个自由泳，另一个仰泳。游泳的总的合成的净方向可以为零，但是存在有相当量的自由泳。

通过优先将自旋从正常金属转移到魏尔半金属中，研究人员发现，半金属需要找到在电子结构中容纳具有特定自旋的电子的方法。 就如不能随便把任何电子粘在任何地方。

研究人员发现电子趋向于将自旋重新分布到那些可用且在能量上有利的地方。 可能无法使所有自旋都适合一种特定的电子状态，但是可以使不同状态下的分数自旋适合总计相同的数量。就如波浪撞击岩石，仍然有沿相同方向移动的相同量的水。

当电子遇到魏尔半金属以这种方式“分解”时，不同的电子状态将以不同的速度传播，从而产生充电电流。 根据测量电流的方向（例如，从上到下或从左到右），研究人员看到了不同的结果。

电子的分解方式与磁性魏尔半金属中的能量、动量和自旋之间的关系非常敏感。结果，充电电流的方向如何变化与魏尔半金属的特性直接相关，从而可以确定其拓扑特性。”

观察各向异性或在魏尔半金属中沿不同方向测量时的充电电流差异，为研究人员提供了两条重要信息。首先，它揭示了材料的魏尔性质，但更重要的是，它允许研究人员调整材料的特性。由于它具有有趣的各向异性响应，因此可能可以利用它。这提供了一种便宜的方法来测试和试验一种可能会变得越来越流行的材料。