电子学的未来:新费米弧的发现

诸平

Fig. 1 Abstract Energy Magnetism Electronic Arcs

Fig. 2 Left: Visual progression of the magnetic band splitting as the temperature decreases. Right: The top graph shows the known Zeeman and Rashba band splitting behavior. The bottom shows the newly observed band splitting behavior. Credit: Ames Laboratory

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据美国艾姆斯实验室（Ames Laboratory）2022年4月14日提供的消息，新发现的可以通过磁性控制的费米弧（Fermi Arcs）可能是基于电子自旋的电子技术的未来（The Future of Electronics: New Fermi Arcs Discovered）。

这些新的费米弧是由艾姆斯实验室和爱荷华州立大学（Iowa State University）的一个研究团队，以及与来自美国、德国和英国的合作者共同研究发现的。在他们对稀土单晶钕铋（rare-earth monopnictide NdBi）的研究中，研究小组发现了一种新型的费米弧，这种弧出现在材料变得反铁磁的低温下，即相邻的自旋指向相反的方向。相关研究结果于2022年3月23日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Benjamin Schrunk, Yevhen Kushnirenko, Brinda Kuthanazhi, Junyeong Ahn, Lin-Lin Wang, Evan O’Leary, Kyungchan Lee, Andrew Eaton, Alexander Fedorov, Rui Lou, Vladimir Voroshnin, Oliver J. Clark, Jamie Sánchez-Barriga, Sergey L. Bud’ko, Robert-Jan Slager, Paul C. Canfield, Adam Kaminski. Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnet. Nature, 2022, 603: 610–615. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04412-x. Published: 23 March 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04412-x

参与此项研究的除了来自美国艾姆斯实验室和爱荷华州立大学的研究人员之外，还有来自美国哈佛大学（Harvard University）、德国莱布尼茨固体与材料研究所（Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, Dresden, Germany）、德国柏林海尔姆霍尔茨材料与能源中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Germany）、中国兰州大学（Lanzhou University）以及英国剑桥大学（University of Cambridge, UK）的研究人员。但是，需要说明的是李景灿（Kyungchan Lee）现在德国维尔茨堡大学（Universität Würzburg, Germany）。

金属的费米表面（Fermi surfaces）是被电子占据和未被电子占据的能态之间的边界。费米表面通常是闭合的轮廓，形成球形、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、导热性、光学性质等。在极其罕见的情况下，费米表面包含被称为费米弧的不相连的部分，通常与超导等奇异状态相关。

上述由艾姆斯实验室图2中，左图是随着温度下降，磁带分裂的可视进展。右图中最上面的图显示了已知的塞曼和拉什巴带（Zeeman and Rashba band）的分裂行为。底部显示了新观察到的带分裂行为。

研究小组的负责人亚当·卡明斯基（Adam Kaminski）解释说，新发现的费米弧是电子带分裂的结果，这是由占样品50%的Nd原子的磁性顺序造成的。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。

目前已有两种类型的带分裂即塞曼带分裂和拉什巴带分裂。在这两种情况下，带在分裂后都保持了原来的形状。研究小组观察到的带分裂导致了两个不同形状的带。随着样品温度的降低，这些带之间的分离增加，带形发生变化，表明费米粒子质量发生了变化。

亚当·卡明斯基说:“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，而且它们也改变了曲率。这与人们迄今为止观察到的任何其他情况都非常不同。”

之前已知的在韦尔半金属（Weyl semimetals）中存在的费米弧的案例仍然存在，因为它们是由难以控制的材料晶体结构引起的。然而，该团队在NdBi中发现的费米弧是由样品中钕原子的磁序引起的。这一顺序可以很容易地改变，通过施加磁场，并可能通过改变Nd离子的另一个稀土离子，如铈（Ce）、镨（Pr）或钐(Sm)。由于艾姆斯实验室在稀土研究方面处于世界领先地位，这种成分的变化可以很容易地探索出来。

“每当样品变得反铁磁时，这种新型的费米弧就会出现。所以，当样品呈现出磁序时，这些弧线似乎就凭空出现了，”亚当·卡明斯基说。

根据亚当·卡明斯基的说法，这些新费米弧的另一个重要特征是它们具有所谓的自旋结构。在普通金属中，每个电子态都被两个电子占据，一个自旋向上，一个自旋向下，所以没有净自旋。新发现的费米弧在每个点上都有一个自旋方向。由于它们只存在于磁有序状态，电弧可以通过施加磁脉冲(例如来自超快激光器)非常快地打开或者关闭。

“拥有这样的自旋装饰（spin decoration）或自旋纹理（spin texture）是很重要的，因为电子领域的任务之一就是远离基于电荷的电子产品。你现在使用的一切都是基于电线中移动的电子，这会导致耗散，”亚当·卡明斯基说。

控制电子自旋的能力涉及到信息技术的一个新分支——自旋电子学（spintronics），它是基于电子自旋而不是导线上移动的电荷。

亚当·卡明斯基解释说:“我们要么改变自旋的方向，要么使自旋沿着导线传播，而不是移动电荷。从技术上讲，这些自旋变化不应该消耗能量，所以以自旋的方式存储信息或移动信息不需要消耗很多能量。”

亚当·卡明斯基强调了这一发现对该领域的重要性，但他表示，在将这些发现应用于新技术之前，还有很多工作要做。

晶体生长和表征得到了拓扑半金属发展中心(Center for the Advancement of  Topological Semimetals 简称CATS)的支持，该中心是由美国能源部基础能源科学办公室（U.S. DOE, Office of Basic Energy Sciences）资助的能源前沿研究中心。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The Fermi surface plays an important role in controlling the electronic, transport and thermodynamic properties of materials. As the Fermi surface consists of closed contours in the momentum space for well-defined energy bands, disconnected sections known as Fermi arcs can be signatures of unusual electronic states, such as a pseudogap¹. Another way to obtain Fermi arcs is to break either the time-reversal symmetry² or the inversion symmetry³ of a three-dimensional Dirac semimetal, which results in formation of pairs of Weyl nodes that have opposite chirality⁴, and their projections are connected by Fermi arcs at the bulk boundary^{3,5,6,7,8,9,10,11,12}. Here, we present experimental evidence that pairs of hole- and electron-like Fermi arcs emerge below the Neel temperature (TN) in the antiferromagnetic state of cubic NdBi due to a new magnetic splitting effect. The observed magnetic splitting is unusual, as it creates bands of opposing curvature, which change with temperature and follow the antiferromagnetic order parameter. This is different from previous theoretically considered^13,14 and experimentally reported cases^15,16 of magnetic splitting, such as traditional Zeeman and Rashba, in which the curvature of the bands is preserved. Therefore, our findings demonstrate a type of magnetic band splitting in the presence of a long-range antiferromagnetic order that is not readily explained by existing theoretical ideas.