研究人员发现意外的磁效应与粒子的量子行为有关

一种新的和意想不到的磁效应让研究人员感到意外，并且可以为先进的电子设备甚至强大的量子计算机架构开辟新的途径。

该发现基于一系列称为拓扑绝缘体(TI)的材料，近年来引起了人们的极大兴趣。TI的新颖电子特性可能最终导致新一代的电子，自旋电子或量子计算设备。这些材料在整个内部表现得像普通绝缘体，阻挡电子流动，但它们的最外表面几乎是完美的导体，允许电子自由移动。将电子限制在这个消失的薄表面上，然后以独特的方式表现。

但利用这些材料的承诺仍然面临着许多障碍，其中之一就是找到一种将TI与具有可控磁性的材料相结合的方法。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员表示，他们找到了克服这一障碍的方法。

麻省理工学院的团队由物理系的Jagadeesh Moodera和博士后Ferhat Katmis领导，能够将一种称为硒化铋(Bi2Se3)的拓扑绝缘体材料的几个分子层与超薄磁性材料层，硫化铕( EUS)。得到的双层材料保留了TI的所有奇特电子特性和EuS的全磁化能力。

但令人惊讶的是这种影响的稳定性。虽然已知EuS本身仅保持其在极低温度下保持磁状态的能力，仅比绝对零度(17开尔文)高17度，但组合材料将这些特性保持在普通室温下。这可以为开发实用的设备带来巨大的变化，并且可以开辟新的设备设计途径以及研究基本物理现象的新领域。

“自然”杂志在Katmis，Moodera和其他10位麻省理工学院的论文以及来自Oak Ridge，Argonne实验室以及德国，法国和的机构的跨国多学科团队报告了这些研究结果。

Moodera说，在这项工作中看到的室温磁效应“不是任何人的最大期望。这让我们感到惊讶。“他说，像这样的研究仍然离科学知识的前沿非常近，以至于这种现象无法预测。他说：“在下一个实验中，你无法分辨下周你会看到什么，或将会发生什么。”

特别是，具有非常不同特性的两种材料的新颖组合“是研究深度非常小的区域。”并且获得清晰和可重复的结果取决于表面制备和两种材料的连接的高度精确性; Moodera说，两者之间界面的任何污染或缺陷 - 甚至低至单个原子层的水平 - 都会导致结果失效。“发生了什么，发生在他们相遇的地方，”他说，而Katmis在制作这些材料时的细致而持久的努力是新发现的关键。

该研究小组称，这一发现可能是在材料之间的界面上实现新型磁性相互作用的一步，稳定性可能导致磁性存储器件能够在单个分子的水平上存储信息。

研究人员称之为接近感应磁力的效应，也可以基于称为自旋的电子特性而不是电荷来实现新的各种“自旋电子”器件。它也可能提供第一种生产一种称为Majorana费米子的粒子的实用方法，由物理学家预测但尚未令人信服地观察到。他们说，这反过来可能有助于量子计算机的发展。

“这是一件好事，它既展示了非常基础的物理特性，又将我们推向了许多可能的应用，”Katmis说。他说，这种效应与十年前在一些氧化物材料之间的界面上的意外发现有些相似，这引发了十年的深入研究。

该研究小组表示，这一新发现，再加上TI中观察到的其他近期量子行为，可为未来的电子和自旋电子学带来许多可能性。

“这部来自Moodera小组的精彩作品是一个非常激动人心的证明，整体大于其各部分的总和，”哈佛大学物理学教授菲利普金说，他没有参与这项工作。“拓扑绝缘子和磁性绝缘子是两种完全不同的材料。然而，他们在原子般干净的界面上产生非常不寻常的紧急效果，“他补充道。“这项工作中显示的增强的界面磁性与构建能够以低能耗处理信息的新型自旋电子器件非常相关。”

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