科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

德國(guó)于利希研究中心的研究人員研制出全球首個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的二維半金屬材料，這是一種僅允許單一自旋方向（“自旋向上”或“自旋向下”）電子導(dǎo)電的材料。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》，標(biāo)志著新一代高能效自旋電子學(xué)材料研究取得重要突破。

半金屬是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵材料。與傳統(tǒng)導(dǎo)體不同，半金屬只允許一種自旋方向的電子通過，因此成為自旋電子學(xué)的理想選擇。這一新興的信息技術(shù)不僅利用電子的電荷，還能利用其自旋進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，而傳統(tǒng)電子技術(shù)則只能利用電荷。

然而，以往所有已知半金屬都只能在極低溫環(huán)境下工作，而且其表面常常失去所需的特殊電子特性，極大限制了實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)在，研究人員在鈀晶體上構(gòu)建出一種由鐵和鈀組成、厚度僅為兩個(gè)原子的超薄合金，首次實(shí)現(xiàn)二維半金屬性。他們借助先進(jìn)的“自旋分辨動(dòng)量顯微鏡”技術(shù)，精確測(cè)量到該合金僅允許一種自旋類型的電子導(dǎo)電，證實(shí)了二維半金屬的存在。

研究人員表示，這種材料并不依賴?yán)硐氲木w結(jié)構(gòu)，這對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說是個(gè)極大利好，而且通過調(diào)節(jié)鐵的含量還能對(duì)其電子特性進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

過去，人們一直認(rèn)為自旋軌道耦合（即電子自旋與其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的相互作用）會(huì)妨礙半金屬性的形成。但新研究發(fā)現(xiàn)，如果將鐵原子帶來(lái)的磁交換作用與自旋軌道耦合進(jìn)行精確平衡，自旋軌道耦合反而有助于實(shí)現(xiàn)半金屬性。

這種新材料有望成為構(gòu)建自旋電子元件（如自旋濾波器、自旋軌道轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)等）的基礎(chǔ)，而這些元件正是磁存儲(chǔ)芯片中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換的關(guān)鍵所在。更重要的是，該材料在室溫下依然保持有效，并且易于與現(xiàn)有的薄膜技術(shù)集成，為其在實(shí)際器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

此外，這種材料還具備一項(xiàng)罕見特性，即其電子的自旋極化方向與磁化方向相反。這一特性為未來(lái)開發(fā)納米級(jí)磁性器件提供了新的可能。