不發熱芯片要來了？科學家在神奇晶體中首次捕獲“絕緣CP”

在一種神奇的晶體里，電子和它的孿生鏡像——空穴，在強大磁場的撮合下不僅成功牽手，還組成了一個絕 緣小分隊，這個小分隊不會導電，但卻能以一種特別的方式傳遞自旋信息。這便是自旋三重態。

最近，劉金雨和所在團隊在一種名為五碲化鉿的材料中，首次在超強磁場下觀察到了這種自旋三重態激子絕緣體，能為未來研發速度更快、能耗更低的自旋電子器件比如不發熱的計算機芯片打開一扇嶄新的大門。

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

一場發生在微觀世界的材料相遇

在材料世界里，電子就像一個個帶有負電的小精靈， 而空穴則是它們離開后帶正電的空座位。通常情況下，帶相反電荷的電子和空穴會互相吸引，如果它們牽手成功，就會形成一個叫做激子的配對。

但這次的發現格外特別。在普通的激子中，電子和空穴的自旋方向（等效電子自旋而言）是相同的，對于自旋可以將其粗略理解為粒子的小磁針方向，這種配對叫做單重態。

而這次，劉金雨等人在超強磁場的幫助下，成功促成了自旋反向相反的電子和空穴的牽手，形成了三重態激子。這就像讓兩個旋轉方向完全相反的小陀螺牢牢結合在一起一樣，難度很大也很罕見。

五碲化鉿是一種拓撲材料，其內部結構好像一個迷宮。這個迷宮的特殊之處在于，它的導電性質非常敏感， 很容易被外部條件改變。

劉金雨等人把這個晶體放在極低溫和超強磁場的極端環境中。當磁場強大到一定程度的時候，晶體內部電子門的運動會被嚴格限制，幾乎只能沿著磁場方向排成一列行進。在這種狀態之下，系統的行為發生了巨變。

隨著磁場的繼續增強，代表電子和空穴的兩條關鍵能帶，因為自旋被磁場極化的員工，開始彼此靠近最終交叉在一起，形成一個被稱為一維外爾模式的狀態。

他告訴 DeepTech：“總的來說，我們首次在拓撲材 料中，通過實驗實現了自旋三重態激子絕緣體。此外，雖然存在其他材料體系的理論預言，但尚未被實驗證實。同時，我們首次在實驗上證實了基于第零級朗道能級可以形成自旋三重態激子絕緣體?！?/p>

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

絕緣的真相：不是堵塞，而是完美的平衡

就在上述相遇的位置，此次研究發現材料的電阻在某個臨界磁場之上突然開始急劇上升，這意味著它從金屬變成了絕緣體，電流很難通過。但是奇怪的是，同時測量的霍爾信號卻變成了零。

這通常意味著材料里既沒有多余的電子，也沒有多余的空穴，正負電荷達到了完美平衡，整體呈現出電中性。這就引出了一個核心問題：是什么導致了這種絕緣態？

這不僅僅是電子耗盡了，材料應該是不導電的，但是霍爾信號不會恰好為零。這種同時滿足絕緣和電荷完美平衡的狀態，強烈暗示著電子和空穴并沒有消失或者耗盡，而是彼此束縛在了一起，形成了整體呈現出電中性的激子。它們就像一對對牢牢牽手的伙伴，雖然各自都帶電，但是作為一個整體對外不顯示電性，也不再通過自由移動去導電。

計算結果和模擬結果也支持了這一猜想，打開的這個絕緣能隙大約有 250 微電子伏特，正是一對自旋相反的三重態激子配對形成所需的能領。

（來源：https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w）

為什么是三重態？有何厲害之處？

與常見的單重態激子不同的是，這次發現的三重態激子有一些獨特優勢：首先是能夠保持平移對稱性，它們的形成不會破壞晶體結構的周期性，這意味著狀態可能更加穩定和更加均勻；其次是與磁場兼容性更好，自旋三重態配對在高磁場之下可能比單重態更加穩定，這為在強場環境下的應用提供了可能；再次是承載自旋流，由于配對雙方自旋相反，因此這種激子態可以攜帶和傳輸純的自旋角動量，而不會伴隨凈電荷的流動。

電流是電荷的定向流動，會產生熱量。這就是手機和電腦會發熱和耗能的原因。那么，是否只傳遞信息的指令也就是自旋，而不搬運電荷本身，從而避免發熱和能量損耗？

本次自旋三重態激子絕緣體的發現，讓這個設想走進 了一步。它的性質是構建未來超低功耗自旋電子器件、甚至用于量子計算的潛在基礎元件所夢寐以求的。

圖 | 劉金雨（來源：劉金雨）

劉金雨表示：“基于本次成果，我們后續的研究計劃將集中在器件制備上。目前，我們已經能夠將該材料減薄到 10 納米至幾十納米的厚度，并嘗試制備門電壓可調的器件，旨在從二維極限下探測相關的激子絕緣體或其他量子輸運現象?！?/p>

其繼續說道：鑒于不少理論預言的材料體系在零磁場下就是自旋三重態的激子絕緣體，如果能確證該非凡量子物態無需外加磁場即可在真實材料中自發、穩定存在，無疑將是一項突破性且更具有應用前景的實驗進展。結合我的研究背景，我亦矢志投身于此方向的研究。

參考資料：

相關論文 https://doi.org/10.1103/bj2n-4k2w

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