研究表明如何使用少量应变来控制材料的特性

对原子级薄半导体的新研究展示了如何使用少量应变来控制材料的磁性。该研究发表在Nature Nanotechnology 上，为从新型自旋电子器件到更快的硬盘驱动器的应用提供了关键见解。这项研究由研究生卓良倪进行，由助理教授梁武领导，与宾夕法尼亚大学的查理凯恩和尤金梅勒以及田纳西大学诺克斯维尔分校、德克萨斯农工大学、弗里堡大学和橡树岭分校的研究人员合作实验室。

吴的实验室主要专注于拓扑材料的实验。但是，随着最近对两种金属合金的光电流效应的研究以及在单硅化钴中发现的奇异粒子，该实验室关于三硒化锰磷 (MnPSe3)(一种半导体材料)的最新论文深入研究了围绕对称性这一物理或数学特征的概念。系统在经受某些变换时不会改变。对称性是物理学中的一个关键思想，从守恒定律到粒子的行为，并且是理解具有可控或可切换磁态的材料(如 MnPSe3)的核心。

有不同类型的磁铁。对于铁磁性材料，电子都沿同一方向自旋，并使材料具有自发磁性，使它们能够粘附在某些类型的金属上。相比之下，反铁磁材料，如 MnPSe3，具有相同数量的电子，且上下自旋呈反平行排列。这抵消了它们的整体磁矩，这意味着它们不像铁磁材料那样具有外部杂散场;然而，它们仍然具有不同自旋方向的电子。

现有的硬盘驱动器依赖于铁磁材料，其中电子自旋方向的变化代表构成内存的位或零和一，但人们对用反铁磁材料开发存储设备很感兴趣。例如，如果存在另一个磁场，存储在铁磁设备中的信息可能会丢失。这些设备在纳秒范围内手动改变一点所需的时间也限制了它们的运行速度。另一方面，反铁磁材料能够在皮秒范围内更快地转换自旋方向，并且对外部磁场的敏感性也低得多。

吴说，虽然反铁磁材料有一些优势，但使用这种类型的材料，尤其是二维材料，在技术上具有挑战性。为了研究这种材料，Ni 和 Wu 必须首先开发一种方法来测量微小信号，而不会传递过多会损坏原子级薄材料的功率。“通过使用光子计数器，我们能够降低噪音，”吴说。“这是技术突破，使我们能够检测到单层中的反铁磁性。”

使用他们的新成像方法，研究人员发现他们可以在低温下将材料“转换”为反铁磁相。他们还发现，这种材料的状态比预期的要少，类似于计算机内存中使用的位。尽管根据其旋转对称性预测它有六个状态，但研究人员只观察到了两种状态。

Wu 求助于 Kane 和 Mele 提出了一个可以帮助解释这些意外结果的理论，并通过这种合作认识到横向应变(例如拉伸或剪切)可能对其对称性产生的重大影响。“一个完美的样品具有三重旋转对称性，但如果有什么东西在它上面拉动，如果你将它旋转 120°，它就不再一样了，”凯恩说。“一旦梁提出可能存在压力，作为一个理论家，很明显应该选择六个域中的两个。”

在证实了他们的假设的后续实验之后，研究人员还惊讶于少量应变在改变材料特性方面的作用有多大。“过去，人们确实使用应变来改变自旋方向，但在我们的案例中，重要的是微量的应变可以控制自旋，这是因为在我们的案例中，应变的作用在相变中非常重要，”吴说。

有了这一新见解，研究人员表示，这项研究可能是利用微小应变变化更好地控制反铁磁特性的起点。在这类材料中，应变也是一个更容易控制的特性，目前需要一个巨大的磁场——几特斯拉的数量级——来改变电子自旋方向，并且可能是一种可以改变磁性顺序的表盘或旋钮，或电子自旋的模式。

“反铁磁材料中没有杂散场意味着你没有可以用来操纵力矩的宏观事物，”梅勒说，“但是有一些内部自由度允许你通过直接耦合来做到这一点。到订单。”

为了进一步研究这种材料，Ni 正在进行多项后续实验。这包括查看电场和脉冲是否可以改变自旋方向，以及评估太赫兹脉冲(反铁磁材料的自然共振频率)在控制电子自旋方向和开关速度方面的使用。“我们可能会使用太赫兹来控制自旋，”Ni 谈到这个系统时说，这也是 Wu 实验室的专业知识体系。“太赫兹比千兆赫兹快得多，对于反铁磁自旋，我们有可能使用太赫兹来控制从一种状态到另一种状态的超快切换。”

Solid 项目经理 Joe Qiu 表示：“反铁磁材料为创建用于信息处理的更快自旋电子器件以及有效产生太赫兹辐射的新方法提供了令人兴奋的新机会，太赫兹辐射是超 5G 无线通信的电磁频谱的一部分。 - 资助这项研究的陆军研究办公室的电子和电磁学。“所有这些都是未来陆军电子系统的重要技术。”

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