全球首个二维半金属材料获验证

两个原子厚的铁和钯层（左图，黄色/红色）：自旋分辨动量显微镜实验表明，只有具有特定自旋方向（红色/蓝色表示）的电子才能在所谓的费米面上找到，因此它们对电荷传输有积极贡献。图片来源：于利希研究中心

德国于利希研究中心的研究人员研制出全球首个二维半金属材料并获实验证实，这是一种仅允许单一自旋方向（“自旋向上”或“自旋向下”）电子导电的材料。相关成果发表于最新一期《物理评论快报》，标志着新一代高能效自旋电子学材料研究取得重要突破。

半金属是实现自旋电子器件的关键材料。与传统导体不同，半金属只允许一种自旋方向的电子通过，因此成为自旋电子学的理想选择。这一新兴的信息技术不仅利用电子的电荷，还能利用其自旋进行数据存储与处理，而传统电子技术则只能利用电荷。

然而，以往所有已知半金属都只能在极低温环境下工作，而且其表面常常失去所需的特殊电子特性，极大限制了实际应用。现在，研究人员在钯晶体上构建出一种由铁和钯组成、厚度仅为两个原子的超薄合金，首次实现二维半金属性。他们借助先进的“自旋分辨动量显微镜”技术，精确测量到该合金仅允许一种自旋类型的电子导电，证实了二维半金属的存在。

研究人员表示，这种材料并不依赖理想的晶体结构，这对于实际生产来说是个极大利好，而且通过调节铁的含量还能对其电子特性进行精准调控。

过去，人们一直认为自旋轨道耦合（即电子自旋与其运动状态之间的相互作用）会妨碍半金属性的形成。但新研究发现，如果将铁原子带来的磁交换作用与自旋轨道耦合进行精确平衡，自旋轨道耦合反而有助于实现半金属性。

这种新材料有望成为构建自旋电子元件（如自旋滤波器、自旋轨道转矩系统等）的基础，而这些元件正是磁存储芯片中实现状态切换的关键所在。更重要的是，该材料在室温下依然保持有效，并且易于与现有的薄膜技术集成，为其在实际器件中的应用奠定了基础。

此外，这种材料还具备一项罕见特性，即其电子的自旋极化方向与磁化方向相反。这一特性为未来开发纳米级磁性器件提供了新的可能。