美找到自旋轨道强相互作用的新材料

2010-12-20 10:02 来源: 中国科学院
收藏到BLOG

  美国能源部阿尔贡先进光源(APS)实验室研究发现,一种含有重元素铱的氧化材料,受到铱5d层价态上的自旋轨道相互作用的控制,显示出非同寻常的性质。该研究成果发表在近期《物理评论快报》上。

  该研究由阿尔贡APS国家实验室、肯塔基大学、橡树岭国家实验室以及北伊利诺伊州立大学联合开展,在APS的X射线科学分部用4-ID-D光束,对一种名为三氧化钡铱的多晶体进行了X射线吸收和磁环双色探测,在铱的5d层价态分析了电子自旋、轨道角动量和自旋轨道耦合。

  研究人员本来认为,铱在5d层的电子波会和邻位有很强的重叠并“绑”在一起,再加上一个来自氧离子的强大晶体场围绕着铱离子,5d层电子的角动量和自旋轨道相互作用几乎会“被消灭掉”。这次研究却发现,5d层电子存在很大的轨道角动量,约是它们自旋角动量的3倍,由此在铱原子中形成很强的自旋轨道耦合。

  由于固体性质由其组成原子的外层价电子所决定,如由相邻原子的电子云重叠而形成的晶体场等强相互作用。但当固体中自旋轨道相互作用力起重要作用时,就会显示出有趣的性质:如在含有稀土的永磁体材料中,位于4f层的电子引起的磁性,会被材料中相邻电子5d层和6d层的价效所屏蔽。它们的自旋轨道耦合时,自旋对称被打破,将4f层的磁性运动固定到特定的晶格方向,由此产生了很强的永磁效果。

  研究人员迈克尔·万·威内达尔说:“这种新材料的基本状态不是由强晶体场作用而是由自旋轨道作用和库仑作用这种较弱的力来最终决定。”

  领导该研究的APS物理学家丹尼尔·哈斯克说,研究自旋轨道耦合具有重要意义,这种类原子行为可用于化学掺杂,破坏材料中的磁序。

  研究人员称,与砷化镓相比,弱绝缘性的三氧化钡铱自旋轨道相互作用更强,过渡金属氧化物的自旋轨道特征可能更加适于自旋控制设备。

  作为下一代自旋电子设备,自旋晶体管有着巨大的应用前景。开发自旋晶体管需要找到具有大量电子自旋轨道的新型材料。由于自旋轨道的相互作用是随着原子数量而迅速增加,含有重元素的材料成为该领域的最佳候选。

  在半导体中,自旋轨道耦合可以通过电场调节自旋累积来控制,这是开发自旋晶体管的一个很有前途的方向。比如开发自旋电子设备,基于电子自旋而不是所带的电荷,能使其功能更加强大、速度更高而且能耗更低。