Gli archi di Fermi appena scoperti che possono essere controllati attraverso il magnetismo potrebbero essere il futuro dell'elettronica basata sugli spin degli elettroni. Questi nuovi archi di Fermi sono stati scoperti da un team di ricercatori dell'Ames Laboratory e della Iowa State University, nonché da collaboratori provenienti da Stati Uniti, Germania e Regno Unito. Durante la loro indagine sul monopnictide delle terre rare NdBi (neodimio-bismuto), il team di ricerca ha scoperto un nuovo tipo di arco di Fermi che è apparso a basse temperature quando il materiale è diventato antiferromagnetico, cioè gli spin vicini puntano in direzioni opposte.

Le superfici di Fermi nei metalli sono un confine tra stati energetici occupati e non occupati da elettroni. Le superfici di Fermi sono normalmente contorni chiusi che formano forme come sfere, ovoidi, ecc. Gli elettroni sulla superficie di Fermi controllano molte proprietà dei materiali come la conduttività elettrica e termica, le proprietà ottiche, ecc. In occasioni estremamente rare, la superficie di Fermi contiene segmenti disconnessi che sono conosciuti come archi di Fermi e spesso sono associati a stati esotici come la superconduttività.

Adam Kaminski, leader del gruppo di ricerca, ha spiegato che gli archi di Fermi scoperti di recente sono il risultato della divisione della banda elettronica, che risulta dall'ordine magnetico degli atomi di Nd che costituiscono il 50% del campione. Tuttavia, la scissione degli elettroni che il team ha osservato in NdBi non era un comportamento tipico di scissione della banda.

Esistono due tipi consolidati di scissione della banda, Zeeman e Rashba. In entrambi i casi le fasce mantengono la loro forma originale dopo lo spacco. La scissione delle bande osservata dal team di ricerca ha prodotto due bande di forme diverse. Quando la temperatura del campione diminuiva, la separazione tra queste bande aumentava e le forme delle bande cambiavano, indicando un cambiamento nella massa del fermione.

"Questa divisione è molto, molto insolita, perché non solo aumenta la separazione tra quelle bande, ma cambiano anche la curvatura", ha detto Kaminski. "Questo è molto diverso da qualsiasi altra cosa che le persone abbiano osservato fino ad oggi."

I casi precedentemente noti di archi di Fermi nei semimetalli Weyl persistono perché sono causati dalla struttura cristallina del materiale che è difficile da controllare. Tuttavia, gli archi di Fermi che il team ha scoperto in NdBi sono indotti dall'ordinamento magnetico degli atomi di Nd nel campione. Questo ordine può essere facilmente modificato applicando un campo magnetico e possibilmente cambiando lo ione Nd con un altro ione di terre rare come Cerio, Praseodimio o Samario (Ce, Pr o Sm). Poiché Ames Lab è un leader mondiale nella ricerca sulle terre rare, tali cambiamenti nella composizione possono essere facilmente esplorati.

"Questo nuovo tipo di archi di Fermi appare ogni volta che il campione diventa antiferromagnetico. Quindi, quando il campione sviluppa un ordine magnetico, questi archi appaiono apparentemente dal nulla", ha affermato Kaminski.

Secondo Kaminski, un'altra importante caratteristica di questi nuovi archi di Fermi è che hanno quella che viene chiamata trama di spin. Nei metalli normali, ogni stato elettronico è occupato da due elettroni, uno con spin up, uno con spin down, quindi non c'è spin netto. Gli archi di Fermi appena scoperti hanno un unico orientamento di rotazione in ciascuno dei loro punti. Poiché esistono solo in uno stato ordinato magneticamente, gli archi possono essere accesi e spenti molto rapidamente applicando un impulso magnetico, ad esempio da un laser ultraveloce.

"Avere una tale decorazione o una trama di rotazione è importante perché una delle missioni nell'elettronica è quella di allontanarsi dall'elettronica basata sulla carica. Tutto ciò che usi ora si basa sullo spostamento di elettroni nei fili e ciò causa dissipazione", ha detto Kaminski.

La capacità di controllare lo spin degli elettroni si riferisce a un nuovo ramo della tecnologia dell'informazione chiamato spintronica, che si basa sullo spin degli elettroni piuttosto che sullo spostamento di cariche lungo i fili.

"Invece di spostare una carica, invertiamo l'orientamento della rotazione o provochiamo la propagazione della rotazione lungo il filo", ha spiegato Kaminski. "Questi cambiamenti di rotazione tecnicamente non dovrebbero dissipare energia, quindi non costa molta energia archiviare informazioni come rotazione o spostare informazioni come rotazione".

Kaminski ha sottolineato l'importanza di questa scoperta sul campo, ma ha affermato che c'è ancora molto lavoro da fare prima che queste scoperte possano essere utilizzate nelle nuove tecnologie.

Questa ricerca è ulteriormente discussa nel documento "Emergence of Fermi arcs a causa della scissione magnetica in un antiferromagnet", scritto da B. Schrunk, Y. Kushnirenko, B. Kuthanazhi, J. Ahn, L.-L. Wang, E. O'Leary, K. Lee, A. Eaton, a. Fedorov, R. Lou, V. Voroshnin, O.J. Clark, J. Sanchez-Barriga, SL Bud'ko, R.-J. Slager, PC Canfield e A. Kaminski; e pubblicato su Natura . + Esplora ulteriormente

Lettura di un sistema spintronico antiferromagnetico mediante accoppiamento di scambio forte