近日，來自艾姆斯實(shí)驗(yàn)室和愛荷華州立大學(xué)的一個(gè)研究小組及來自美國、德國和英國的合作者發(fā)現(xiàn)了一種新型費(fèi)米弧。研究小組在對稀土單核化物NdBi（neodymium-bismuth）的研究中發(fā)現(xiàn)了一種新型費(fèi)米弧，它在當(dāng)材料變成反鐵磁時(shí)并處于低溫的條件下出現(xiàn)。

金屬中的費(fèi)米面是被電子占據(jù)和未被占據(jù)的能量狀態(tài)之間的一個(gè)邊界。費(fèi)米面通常是封閉的輪廓，并形成球體、橢圓體等形狀。位于費(fèi)米面的電子控制著材料的許多特性如導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、光學(xué)特性等。在極其罕見的情況下，費(fèi)米表面包含不相連的部分，這些部分被稱為費(fèi)米弧，通常跟超導(dǎo)等奇異狀態(tài)有關(guān)。

研究小組的負(fù)責(zé)人Adam Kaminski指出，新發(fā)現(xiàn)的費(fèi)米弧是電子帶分裂的結(jié)果，它是由占樣品50%的Nd原子的磁序造成。然而，研究小組在NdBi中觀察到的電子分裂并不是典型的帶分裂行為。

有兩種既定的帶狀分裂類型--Zeeman和Rashba。在這兩種情況下，帶子在分裂后都保持其原來的形狀。研究小組觀察到的帶分裂導(dǎo)致了兩個(gè)不同形狀的帶。隨著樣品溫度的降低，這些帶子之間的分離度增加，帶子形狀發(fā)生變化，這表明費(fèi)米子質(zhì)量發(fā)生了變化。

“這種分裂是非常非常不尋常的，因?yàn)椴粌H這些帶子之間的分離度在增加，而且它們的曲率也在改變，”Kaminski說道，“這跟人們迄今為止觀察到的其他任何情況都非常不同。”

以前已知的韋爾半金屬中的費(fèi)米弧的情況一直存在，因?yàn)樗鼈兪怯刹牧系木w結(jié)構(gòu)引起的，而這種結(jié)構(gòu)是很難控制的。然而研究小組在NdBi中發(fā)現(xiàn)的費(fèi)米弧是由樣品中Nd原子的磁性排序引起的。 通過施加磁場以及可能通過將Nd離子換成另一種稀土離子如鈰、鐠或釤（Ce、Pr或Sm），則可以很容易地改變這種順序。 由于埃姆斯實(shí)驗(yàn)室在稀土研究方面處于世界領(lǐng)先地位，因此可以很容易地探索這種成分的變化。

“只要樣品變成反鐵磁性，這種新型的費(fèi)米弧就會出現(xiàn)。因此，當(dāng)樣品出現(xiàn)磁性秩序時(shí)這些電弧就會出現(xiàn)，似乎是憑空出現(xiàn)的，”Kaminski說道。

據(jù)Kaminski介紹稱，這些新費(fèi)米弧的另一個(gè)重要特征是，它們具有所謂的自旋紋理。在正常的金屬中，每個(gè)電子狀態(tài)都被兩個(gè)電子占據(jù)，一個(gè)自旋向上，一個(gè)自旋向下，所以沒有凈自旋。新發(fā)現(xiàn)的費(fèi)米弧則在其每個(gè)點(diǎn)都有單一的自旋方向。由于它們只存在于磁有序的狀態(tài)下，通過施加一個(gè)磁脈沖如來自超快激光的磁脈沖，這些電弧可以非常迅速地被打開和關(guān)閉。

“擁有這樣的自旋裝飾或自旋紋理是非常重要的，因?yàn)殡娮訉W(xué)的追求之一是擺脫基于電荷的電子學(xué)。你現(xiàn)在使用的一切都基于在電線中移動電子，這引發(fā)了耗散，”Kaminski說道。

控制電子自旋的能力跟信息技術(shù)的一個(gè)新分支有關(guān)，即自旋電子學(xué)--它是基于電子自旋而不是沿著電線移動電荷。

Kaminski解釋道：“我們不是移動電荷，而是翻轉(zhuǎn)自旋的方向，或?qū)е伦孕貙?dǎo)線的傳播。這些自旋變化在技術(shù)上不應(yīng)該耗散能量，所以以自旋形式存儲信息或以自旋形式移動信息不需要花費(fèi)很多能量?！?/p>

Kaminski強(qiáng)調(diào)了這一發(fā)現(xiàn)對該領(lǐng)域的重要性，但他說在這些發(fā)現(xiàn)能被用于新技術(shù)之前仍有許多工作要做。

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