新的费米电弧可以为电子学提供一条新的途径

　　左图：随着温度的降低，磁带分裂的视觉进展。右图：上图显示了已知的Zeeman和Rashba波段分裂行为。底部显示了新观察到的波段分割行为。图片来源：美国能源部艾姆斯实验室
　　新发现的可以通过磁性控制的费米电弧可能是基于电子自旋的电子学的未来。这些新的费米弧是由艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的一组研究人员以及来自美国，德国和英国的合作者发现的。在研究稀土单钕（钕铋）期间，研究小组发现了一种新型的费米电弧，这种电弧在低温下出现，当材料变成反铁磁性时，即相邻的自旋指向相反的方向。
　　金属中的费米表面是被电子占据和未占据的能量状态之间的边界。费米表面是通常闭合的轮廓，形成诸如球体，卵形等形状。费米表面的电子控制着材料的许多性质，如电导率和导热性、光学性质等。在极少数情况下，费米表面包含不相连的段，这些段被称为费米弧，并且通常与超导性等奇异状态相关联。
　　研究小组负责人AdamKaminski解释说，新发现的费米电弧是电子带分裂的结果，电子带分裂是由占样品50的Nd原子的磁性顺序引起的。然而，该团队在NdBi中观察到的电子分裂并不是典型的带分裂行为。
　　有两种既定的乐队分裂类型，Zeeman和Rashba。在这两种情况下，乐队在分裂后都保留了其原始形状。研究小组观察到的波段分裂导致了两个不同形状的波段。随着样品温度的降低，这些能带之间的距离增加，波段形状发生变化，表明费米子质量的变化。
　　这种分裂非常非常不寻常，因为不仅这些带之间的分离在增加，而且还会改变曲率，卡明斯基说。这与人们迄今为止观察到的任何其他事情都非常不同。
　　以前已知的外尔半金属中的费米电弧的情况仍然存在，因为它们是由难以控制的材料的晶体结构引起的。然而，该团队在NdBi中发现的费米电弧是由样品中Nd原子的磁性排序引起的。通过施加磁场可以很容易地改变这个顺序，并且可能通过将Nd离子更改为另一种稀土离子，如铈，镨或钐（Ce，Pr或Sm）。由于艾姆斯实验室是稀土研究领域的全球领导者，因此可以很容易地探索这种成分变化。
　　这种新型的费米弧每当样品变成反铁磁性时就会出现。因此，当样品产生磁性顺序时，这些电弧似乎无处不在，Kaminski说。
　　根据Kaminski的说法，这些新费米弧的另一个重要特征是它们具有所谓的自旋纹理。在普通金属中，每个电子状态都被两个电子占据，一个具有自旋上升，一个具有自旋下降，因此没有净自旋。新发现的费米弧在每个点上都有单一的自旋方向。由于它们仅以磁性有序状态存在，因此可以通过施加磁脉冲（例如来自超快激光器）非常快速地打开和关闭电弧。
　　拥有这样的旋转装饰或旋转纹理很重要，因为电子产品的任务之一是远离基于电荷的电子产品。你现在使用的所有东西都是基于在导线中移动电子，这会导致耗散，Kaminski说。
　　控制电子自旋的能力与信息技术的一个新分支有关，称为自旋电子学，它基于电子自旋而不是沿导线移动电荷。
　　我们不是移动电荷，而是翻转自旋的方向或导致自旋沿着导线传播，Kaminski解释说。从技术上讲，这些自旋变化不应该耗散能量，因此将信息存储为自旋或将信息作为自旋移动不会花费大量能量。
　　Kaminski强调了这一发现对该领域的重要性，但他表示，在这些发现可用于新技术之前，还有很多工作要做。
　　这项研究在论文由于反铁磁体中的磁分裂引起的费米弧的出现中得到了进一步的讨论，该论文由B。Schrunk，Y。Kushnirenko，B。Kuthanazhi，J。Ahn，L。L。撰写。王，E。奥利里，K。李，A。伊顿，a。费多罗夫，R。卢，V。沃罗什宁，O。J。克拉克，J。桑切斯巴里加，S。L。巴德科，R。J。Slager，P。C。Canfield和A。Kaminski；并发表在《自然》杂志上。