磁性是人类已知的最古老的技术之一，它是新时代材料的前沿，可以使下一代无损电子和量子计算机成为可能。由宾夕法尼亚州立大学和加利福尼亚大学领导的研究人员发现了一种新的“旋钮”来控制一种有前途的量子材料的磁性行为，这一发现可以为开发新型、高效和超快速的设备铺平道路。

“这种材料独特的量子力学组成（碲化锰铋）使其能够携带无损电流，这是一种具有巨大技术意义的物质。”宾夕法尼亚州立大学研究生期间领导这项研究的Hari Padmanabhan说：“使这种材料特别有趣的是，这种行为与其磁性有着深刻的联系。因此，控制这种材料磁性的旋钮也可以有效地控制这些无损电流。”

科学家们说，碲化锰铋是一种由原子级薄堆叠层制成的二维材料，是拓扑绝缘体的一个例子，这种奇异的材料可以同时作为电的绝缘体和导体。重要的是，因为这种材料也是磁性的，所以在其边缘传导的电流可能是无损的，这意味着它们不会以热的形式损失能量。找到一种调整材料层之间的弱磁性键方法可以解锁这些功能。

科学家们 4 月 8 日在《自然通讯》杂志上报道说，材料中原子或声子的微小振动可能是实现这一目标的一种方法。

“声子是微小的原子摆动，原子以各种模式在一起跳跃，存在于所有材料中。”Padmanabhan 说。“我们表明，这些原子摆动可以作为一个旋钮来调节碲化锰铋原子层之间的磁性键合。”

宾夕法尼亚州立大学的科学家们使用一种称为磁光光谱的技术研究了这种材料，将激光发射到材料样品上并测量反射光的颜色和强度，反射光携带有关原子振动的信息。该团队观察了振动在改变温度和磁场时如何变化。

当他们改变磁场时，科学家们观察到声子强度的变化。科学家们说，这种效应是由于声子影响了弱的层间磁键。

“使用温度和磁场来改变材料的磁性结构——就像使用冰箱磁铁磁化针罗盘一样——我们发现声子强度与磁性结构密切相关，”加州大学圣地亚哥分校研究生、该研究的合著者Maxwell Poore 说。“将这些发现与理论计算相结合，我们推断这些原子振动会改变这种材料各层之间的磁性键合。”

加州大学圣地亚哥分校的科学家们进行了实验以实时跟踪这些原子振动。科学家们说，声子的振荡速度超过每秒一万亿次，比现代计算机芯片快很多倍。例如，一个 3.5 GHz 的计算机处理器以每秒 35 亿次的频率运行。

“这个结果的美妙之处在于，我们在不同的机构使用不同的互补实验方法研究了这些材料，它们都显著地趋向于同一画面。”加州大学圣地亚哥分校的研究生、该论文的合著者Peter Kim说。

科学家们说，需要进一步研究直接使用磁性旋钮。但如果能够实现这一点，它可能会导致超快速设备能够有效且可逆地控制无损电流。

“制造更快、更强大的电子处理器的一个主要挑战是它们会升温，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和物理学教授、帕德马纳班的前顾问、该论文的合著者 Venkatraman Gopalan 说。“加热会浪费能源。如果我们能找到有效的方法来控制承载无损电流的材料，那么我们就有可能将它们部署在未来的节能电子设备中。”

论文参考链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29545-5

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