普通金属（NM）-磁性威尔半金属（WSM）层中的自旋-电荷转换示意图。
拓扑材料具有奇异的电子状态——电子的动量与其自旋方向有关，其中的磁性威尔半金属因其潜在的磁场可控性而倍受科学家关注。然而科学家们一直困扰于半金属材料的识别和表征。
据美国“科学日报”网站11月27日报道，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员通过理论和模型研究，发现了一种能更轻松找到威尔半金属，进而利用其制造自旋电子器件的方法。
此前，对威尔半金属的研究不仅需要使用复杂的X射线或激光源，还需要精心制备样品。为了简化研究方法，阿贡国家实验室的研究人员提出利用电子自旋和电荷之间的关系来揭示拓扑材料的性质。材料科学家Olle Heinonen说：“我们想弄清楚，如果让电流流过威尔半金属，它是否会表现出一些能证实其半金属身份的特征？”
为了在威尔半金属中产生电荷流，Heinonen认为首先应在普通金属和威尔半金属的界面处注入自旋电流。虽然自旋电流涉及定向电子流入，但不存在净电荷注入。他解释说：“你可以把它们想象成两个在游泳池里反向游动的运动员，一个在自由泳，一个在仰泳。”
研究人员发现，优先将自旋电流从普通金属转移至威尔半金属，会迫使后者必须找到在其电子结构中容纳特定自旋电子的方式。于是，自旋电子倾向于根据可用性和能量有利性重新分配去向。Heinonen说：“电子的去向并非随心所欲。你可能无法将所有的自旋态都放入同一个特定电子态中，但你可以选择在不同的电子态中放入少量的自旋电子。”
当电子按照后面的方式“分裂”并遇到威尔半金属时，其差异性会导致自身以不同的状态和速度运动，进而产生电荷电流。研究人员通过测定电流方向，就能得到不同的结果。Heinonen说：“电子分裂的方式与磁性半金属中的能量、动量和自旋性质关系密切。因此，我们可以认为电荷电流方向的变化与半金属的性质直接相关。由此，我们就能确定其拓扑特性了。”
在威尔半金属中测得的各向异性为研究人员提供了两条信息。首先，它解释了材料的性质；其次，研究人员可以据此调整材料的性质。Heinonen说：“观测结果非常有趣，我们或许可以据此在某些设备中利用这种各向异性。就人们目前实际制造的威尔半金属而言，我们的发现有点略微超前了。但它确实为我们提供了一种测试和调控拓扑材料的廉价方法。”
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编译：雷鑫宇
审稿：三水
责编：张梦
期刊来源：《物理评论快报》
期刊编号：0031-9007
原文链接：
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/11/191127161309.htm
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