新型晶体将电子限制在一维空间 可用于开发自旋电子器件

基于自旋电子学的物理系统在未来可能会取代许多电子系统。为了实现这一突破，将电子限制在一维空间中的材料组件备受关注。据外媒报道，研究人员首次创造了一种特殊铋基晶体形式的材料，称为高阶拓扑绝缘体。

为了开发自旋电子器件，需要设计新的材料来利用日常生活中尚未发现的量子行为。你可能熟悉导体和绝缘体，它们分别传导或限制电子的流动。半导体也是常见的，通常是绝缘的，但在某些情况下是导电的，这使它们成为理想的微型开关。在自旋电子学的应用中，需要一种称为拓扑绝缘体的新型电子材料。与其他三种材料不同，这种材料作为一个整体是绝缘的，只沿着表面导电。它不传导电子流，而是传导电子的自旋或角动量。众所周知，这种自旋电流可能成为打开新世界的关键，用于制造超快和低功耗设备。然而，拓扑绝缘体的性能并不完全一致，例如强弱之间的差异。当然，也有一些不足之处。例如，当沿着整个表面传导自旋时，参与的电子经常会发生散射，从而削弱它们传输自旋电流的能力。近日，东京大学固体物理研究所的研究团队首次开发出高阶拓扑绝缘体。这是拓扑绝缘体的第三种类型，自2017年以来出现了相关理论。近藤武教授表示：“我们用铋制作了一种高阶拓扑绝缘体，它只能沿着角的边缘传导自旋电流，基本上呈一维线。由于自旋电流是一维的，而不是二维的，所以电子不会散射，使其稳定。为了开发这种三维晶体，近藤和他的团队将二维晶体芯片堆叠在一起以某种方式将单个原子厚度组合在一起。沿着强拓扑绝缘体和弱拓扑绝缘体的定向排列，堆叠的晶体芯片是相同的。然而，为了构建高阶拓扑绝缘体，芯片的方向交替出现，就像扑克牌的两面一样。这种细微的排列变化会导致发育的三维晶体发生显著变化。堆叠的芯片通过称为范德华力的量子力聚集在一起。这是一种罕见的量子现象，其中层在晶体中结合在一起。在某种程度上，它可以解释为什么粉末材料聚集在一起并以它们的方式流动。近藤说：“拓扑财产的出现和消失只取决于二维原子片的堆叠方法，这一发现令人兴奋。这使得材料设计更加自由，并将带来新的想法，例如快速高效的自旋电子器件和其他应用

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