科學家提出一種獲得超強磁場的新方法

2020-12-04 科學網

近年來，各種原子級厚度的材料層出不窮，有半金屬的石墨烯、絕緣的六角氮化硼，也有半導體的過渡金屬硫族化合物。

把兩個單層材料上下堆疊，層與層之間通過範德瓦爾斯力粘合在一起，就可以組成雙層同質結或異質結。如果兩層晶格的朝向有一個小的相對轉角，就會出現層間原子堆垛的長程周期性變化，即莫爾（moiré）超晶格（見下圖a）。在一個莫爾超原胞內部，層間原子堆垛方式呈現出的空間上的非均勻性（見下圖b），導致位形空間貝裡相位（Berry phase）的出現。

固體材料中，粒子的內稟結構隨動量或位置的變化可產生貝裡相位，從而影響材料的物理性質。一個典型的例子是，均勻晶體中的動量空間貝裡相位可導致反常霍爾效應和自旋霍爾效應。而在位形空間非均勻的材料（如磁性斯格明子、磁疇結構）中，電子的行為會受到位形空間貝裡相位的影響。

當準粒子在位形空間運動了一個閉合軌道時，貝裡相位即為閉合軌道圍成的貝裡曲率通量，因此位形空間貝裡曲率等效於一個磁場。準粒子經過空間上非均勻的區域時，即使沒有外加磁場，也會受到貝裡曲率施加的洛侖茲力作用，從而產生霍爾效應。

最近，香港大學和湖南師範大學的研究者（俞弘毅、陳明星和姚望教授）合作，在《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 發表研究論文「Giant magnetic field from moiré induced Berry phase in homobilayer semiconductors」，文章指出，在過渡金屬硫族化合物這類二維半導體的雙層同質結莫爾超晶格中，層間原子堆垛方式隨位置的變化帶來了一個位形空間的貝裡曲率，等效於一個在空間上周期變化的超強磁場（見上圖a）。

每個莫爾超原胞中的磁通為量子化的2π，因此等效磁場的強度可通過改變超晶格周期來調節，在一個典型的10納米周期下可達幾百特斯拉。在低摻雜的情況下，同質結的物理性質由低能量的電子或空穴決定，它們在不同區域之間的躍遷會因等效磁場的影響而攜帶不同的相位，從而實現了一個可產生量子自旋霍爾效應的拓撲磁通超晶格。研究同時指出，施加一個垂直層面的電場可以連續調節等效磁場的空間分布，而超原胞中的磁通則是一個量子化的值，可在一個較小的臨界電場下從2π躍變到0。

這項工作提出了一種獲得超強磁場的新方法，可能適用於納米尺度的電氣和機械控制。（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz117

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