可果美金屬表面電子行為的圖示。陀螺儀只是「自旋」的類比，「自旋」是基本粒子的內在物理性質之一。請注意，電子不會像所示那樣真正旋轉。來源： 香港城市大學
由香港城市大學（城大）物理學家共同領導的一個跨國研究小組發現，由於晶體獨特的原子結構，一種新型金屬晶體在其表面上顯示出不尋常的電子行為。他們的發現開闢了使用這種材料開發更快，更小的微電子設備的可能性。
研究的材料是最近發現的「可果美」金屬化合物，由三種元素組成：釓（Gd），釩（V）和錫（Sn）。它被歸類為「1-6-6」材料，以表示GdV中存在的三種金屬元素的比例6錫6晶體。原子排列成複雜但規則的幾何圖案，產生非凡的表面特徵。
通常，原子中帶負電的電子在離散能帶內以與帶正電的原子核不同距離移動。但是，在GdV的表面6錫6，暴露原子的頂層被預測為相互作用並變形能量帶的拓撲結構，即形狀和位置。從理論上講，這種變形可能會引入一種新的穩定的電子特性，直到現在，尚未在GdV中明確檢測到。6錫6或任何其他可果美金屬。
首次觀察到可果美金屬中異常的表面電子行為
城大物理系助理教授馬俊章博士說：「我們的團隊首次明確觀察到，可果美金屬可以表現出改變的電子能帶結構，其類型被稱為'拓撲上非平凡的狄拉克表面狀態'。
「由於它們的固有自旋和電荷，電子產生自己的磁場，表現得像微小的陀螺儀，既有旋轉又有指向某個方向的角度傾斜。我們在GdV中證明了這一點6錫6，表面電子變得重新排序或'自旋極化'，並且它們的傾斜重新定位在垂直於表面的公共軸上。
GdV6Sn6可果美晶體結構： （i）晶胞;（ii）沿著c軸的俯視圖，顯示V3Sn.來源：科學進展（2022年）。DOI： 10.1126/sciadv.add2024
電子圍繞共享軸的有序方向是它們的「自旋手性」，它可以是順時針或逆時針方向。更重要的是，研究小組能夠通過對晶體表面進行簡單的物理修飾來成功地逆轉自旋手性。「因為我們發現自旋極化電子的自旋手性很容易逆轉，我們的材料在自旋電子學領域的下一代電晶體中具有巨大的應用潛力，」Ma博士補充道。
該研究於2022年9月21日發表在《科學進展》上，其動機是考慮了GdV的特殊特徵後，對新型表面電子能帶結構進行了理論預測。6錫6可果美水晶。例如，重複 V 的層3Sn 亞基堆疊在 Sn 和 GdSn 的交替層之間2.
此外，多個 V3Sn亞基在幾何上排列在「可果美層」中，其圍繞六邊形的六個等邊三角形的重複圖案類似於日本竹籃編織中看到的可果美晶格。最後，V3錫可果美層是非磁性的，而GdSn2層是磁性的。
首先，研究人員製作了GdV6錫6通過加熱Gd，V和Sn金屬並緩慢冷卻產品來晶體。然後，在通過單晶X射線衍射確認化學成分和結構後，他們將晶體穿過堆疊層，並通過角度分辨光發射光譜（ARPES）分析暴露的表面。結果表明，裂解表面確實具有重塑的能帶結構，進一步分析證明了順時針自旋特性。
最後，研究小組表明，表面能帶可以通過用鉀原子塗覆表面來急劇扭曲，這個過程稱為電子摻雜。結果，隨著摻雜水平的提高，電子自旋手性從順時針切換到逆時針。
模擬的恆能等值線顯示表面電子的自旋手性（綠色箭頭）的逆轉，從（i）在原始GdV6Sn6中順時針到（ii）在表面電子摻雜鉀後逆時針方向。來源： 科學進展 （2022）.DOI： 10.1126/sciadv.add2024
在改善信息傳輸及其他方面的潛在應用
研究人員故意反轉GdV上表面電子的自旋手性的能力6錫6晶體使其成為眾多實際電子應用的有前途的候選材料。
「將來，我們可能能夠施加局部電壓或靜電'門'來直接操縱或調整電子能帶結構，從而交替1-6-6可果美金屬表面上的電子自旋手性，」馬博士說。
「控制電子自旋極化的方向是一種有吸引力的替代方案，可以替代基於是否存在電荷的傳統二進位數字編碼，這種編碼相對較慢，並且可能導致諸如器件加熱之類的問題。我們的技術可以顯著提高數字信息傳輸的效率，減少熱量的產生，並且當與超導體耦合時，最終可以在量子計算中得到利用。
更多信息：Yong Hu等，可調諧拓撲狄拉克表面狀態和范霍夫奇點在可果美金屬GdV 6 Sn 6，科學進展（2022）。DOI： 10.1126/sciadv.add2024
期刊信息：科學進展