基础科学研究所
磁性拓扑半导体中金属-绝缘体转变的示意图
拓扑节点线是电子带交叉并在能量动量空间中形成一条线的地方
通过磁排序，取决于自旋方向的自旋轨道能量决定了系统是半导体(左)还是金属(右)
学分:基础科学研究所 众所周知，电子既带电荷又带自旋，但在现代电子设备中，只有电荷部分被用作信息载体
然而，现代电子学的局限性和摩尔定律的即将终结重新点燃了人们对自旋电子器件发展的兴趣，自旋电子器件能够利用电子的自旋
预计自旋电子计算设备的广泛采用可以像电子发明一样彻底改变信息技术
自旋电子学的一个关键挑战是找到一种有效而灵敏的方法来电探测电子自旋状态
例如，20世纪80年代末发现的巨磁电阻(GMR)就允许这种功能
在巨磁电阻中，根据铁磁双层的平行或反平行自旋结构，在磁场下电阻会发生很大的变化
GMR的发现导致了硬盘驱动器技术的发展，这在技术上是第一个大规模生产的自旋电子设备
从那时起，其他相关现象的发现，包括在磁场中出现的巨磁电阻(CMR)，推进了我们对自旋和电荷自由度之间相互作用的理解，并成为新兴自旋电子学应用的基础
在最新一期的《自然》杂志上，教授领导的研究小组
韩国浦项科技大学基础科学研究所人工低维电子系统中心和物理系的金·盛骏在磁性半导体Mn3Si2Te6中发现了一种新的磁输运现象
该小组发现，在旋转磁场下，电阻变化的幅度可以达到10亿倍
这种前所未有的电阻随磁场角度的变化被称为巨角磁阻(CAMR)
“与以前的磁输运现象不同，电阻的巨大变化是通过只旋转自旋方向而不改变它们的结构来引起的
这项研究的合著者之一金·盛骏教授指出:“这种不寻常的效应源于这种磁性半导体独特的拓扑保护能带结构。”
拓扑磁体Mn3Si2Te6的晶体结构(左上)
它具有独特的结构，其中锰原子(红色)插在碲原子(灰色)层之间
碱性和插层结构中的锰原子分别标记为Mn1(右上)和Mn2(右下)层
每一层都有不同的自旋力矩和方向，这导致了亚铁磁有序化
Mn3Si2Te6的光学图像显示在左下面板中
学分:基础科学研究所 拓扑材料是一类新发现的材料，在自旋电子学应用中变得越来越重要
拓扑材料是指其电子结构被描述为扭曲的材料
正如莫比乌斯带在不从根本上改变其形状的情况下无法被解开一样，拓扑材料中扭曲的电子结构得以保留，除非系统的对称性发生变化
这种拓扑保护的状态可用于容纳和控制自旋信息
随着拓扑材料的发展，磁性和拓扑电子态共存的拓扑磁体得到了广泛的研究
这些拓扑磁体具有许多潜在的应用，因为它们的电子结构在拓扑上受到保护，但是通过调节自旋配置或取向可以改变
这种新型材料提供了耦合自旋和电荷自由度的新机会，这对自旋电子应用非常有用
2018年，研究团队报告在《自然材料》杂志上发现了一种铁磁半金属Fe3GeTe2
这种材料被发现具有独特的节点线形状的带交叉点，因此被归类为拓扑磁体
这种拓扑磁体的一个独特性质是，简并性可以根据自旋方向在节线态中提升
扩展这一想法，研究团队将重点放在磁性半导体上，这种半导体在导带或价带中具有拓扑节点线态
同样，节线态的能带简并对自旋取向敏感，但是在磁性半导体中，由自旋旋转控制的能带简并的提升可以将系统变成半导体或金属
因此，电荷电流可以通过自旋旋转来接通或断开，就像在传统半导体中通过施加电场来实现的那样
第一个障碍是确定同时具有铁磁性或亚铁磁性和拓扑带简并性的候选材料
博士；医生
韩国原子能研究所(KAERI)的Kim Kyoo使用第一性原理计算方法预测了铁磁铁Mn3Si2Te6的节点线型能带简并
当他在计算中旋转Mn3Si2Te6的净磁矩时，节线简并性被提升，正如在Fe3GeTe2中发现的，这种简并性强到足以引起带隙闭合
哈贤洙和教授
国际商用机器公司和首尔国立大学的杨波姆-荣格利用对称性分析发现，Mn3Si2Te6的节线简并性受到某种晶体对称性的保护，反映了它的拓扑性质
所构造的哈密顿量同时考虑了节点线态和强自旋轨道耦合，可以捕获节点线态的计算变化，这取决于自旋方向
Mn3Si2Te6单晶中的巨角磁阻
如插图所示，当在旋转磁场中测量电阻率时，可以观察到大约十亿倍的电阻率巨大变化
学分:基础科学研究所 博士；医生
徐俊豪和博士
德·昌丹教授
金·盛骏在IBS和POTSECH的研究团队成功合成了Mn3Si2Te6单晶，并在低温下测量了它们的电阻，同时利用外部磁场旋转其自旋矩
他们发现，当磁场旋转时，高达千兆欧姆的大电阻会变成几十毫欧姆
这种取决于磁场角度的电阻的巨大变化从未被观察到，并且至少比先前已知的显示角磁阻的磁性材料大10万倍
李智恩教授
韩国首尔延世大学物理系的金在勋(Kim Jae Hoon)利用太赫兹吸收测量从实验上证实，观察到的电阻巨大变化确实是由于电子g ap闭合以及由此产生的绝缘体到金属的转变，正如理论预测的那样
这些来自相关研究团队密切合作的理论和实验发现证明了巨大的角磁阻是自旋极化节点线态及其独特的自旋电荷耦合的直接结果
新发现的巨大角磁阻有望用于矢量磁传感，具有高角灵敏度或自旋状态的有效电读出
此外，通过利用Mn3Si2Te6的半导体特性，可以实现一种新型的自旋电子器件，其中通过同时使用电场或磁场来调制电荷和自旋自由度
剩下的挑战之一是如何将巨角磁阻的工作温度范围扩展到室温
巨角磁电阻被认为是磁性拓扑半导体的一个共同特性，它以三角形晶格为结构基元
该研究的合著者之一杨教授指出:“在自然界中，候选磁性半导体有很大的可能性，在高温下表现出相似甚至更强的特性，有待理论研究和实验验证。”
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