新发现的笼目金属晶体，将成为新一代高速电子装置新动力

一支由香港城市大学（香港城大）物理学家共同领导的跨国研究团队对一种崭新的“笼目”（kagome）（又译︰戈薇）金属晶体进行了系统的研究，由于具有独特的原子结构，这种晶体的表面呈现出不寻常的电子活动，因此令晶体具备潜质，或可用来进一步开发更快、更小的微电子装置。

笼目金属晶体于近年被科学家发现，是一种拥有“笼目”结构的金属化合物。GdV₆Sn₆由三种元素组成，分别是：钆（Gd）、钒（V）和锡（Sn），被归类为 “1-6-6”材料，以显示GdV₆Sn₆晶体中所存在的三种金属元素的比例。这金属化物的原子以复杂但有规律的几何方式排列，形状好像日本竹篮子常见的“kagome”编织图案，即是六个等边三角形围绕一个六边形。这种特殊的原子排列方法，为金属晶体带来了不平凡及特殊的表面特征。

这是因为在正常情况下，原子中带负电荷的电子，围绕着带正电的原子核在不同距离和分立的能带中移动。然而，在GdV₆Sn₆的金属晶体表面，外露的原子层被预测为会相互发生作用，使到晶体表面电子的拓扑结构，即是“能带”的形状和位置出现变形，形成一种受保护的表面态。从理论上说，这种表面态可以带来一种崭新及稳定的电子特性。可是在此之前，科学家过去在GdV₆Sn₆或任何笼目金属中，还没有成功地明确发现到上述的特殊电子特性。

首次在笼目金属中观测到不寻常的表面电子活动

有份带领这项研究的香港城大物理学系助理教授马均章博士说：“我们的科研团队首次明确地观测到，原来笼目金属表面能够实际存在一种拓扑保护的电子能带结构，即是‘拓扑上的非平庸狄拉克表面态’（topologically non-trivial Dirac surface states）。”马博士续解释说︰“由于（晶体）电子的固有自旋和电荷，电子产生了它们自己的磁场，它们的活动就像微小的陀螺仪一样，同时具有自旋和倾斜的角度。我们证明了在GdV₆Sn₆之中，其表面电子遭重新排序又或是出现自旋极化（spin-polarised），而它们的倾斜度令它们围绕着垂直于表面的一条共同轴线重新定位。”

电子有序地围绕着的那条共同轴线就是它们的“自旋手性”（spin chirality），它可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。更重要的是，研究团队能够通过对金属晶体表面进行简单的物理改动，便成功逆转了自旋手性方向。马博士补充说：“因为我们发现自旋极化电子的自旋手性很容易被逆转，故我们发现的新物料在自旋电子学领域的下一代晶体管中，将具有巨大的应用潜力。”

 

这项研究已于2022年9月21日在科学期刊《科学进展》（Science Advances）上发表。这次研究的背后动机，是建基于科学家在考虑了GdV₆Sn₆笼目晶体的特殊特征之后，对它新颖的表面电子带结构进行了理论上的预测，因而希望透过这次研究，印证这预测的真确性。GdV₆Sn₆笼目晶体的特殊特征包括它的V₃Sn层堆叠于Sn和GdSn₂的交替层之间（图2（i）），多个V₃Sn单元则以几何方式排列在“笼目层”（kagome layer）之中。被称为笼目层，是因其六个等边三角形围绕一个六边形的重复图案，类似于日本竹篮子的编织图案（图2（ii））。此外，V₃Sn笼目层是非磁性的，而GdSn₂层则是磁性的。

为进行研究，团队的研究人员首次通过加热Gd、V和Sn三种金属再缓慢冷却有关的产物，以制造GdV₆Sn₆晶体。然后，通过单晶X射线衍射确认了晶体的化学成分和结构之后，研究人员透过堆积层解理了晶体，并利用角分辨光电子能谱（ARPES）分析了晶体被解理后所曝露出来的表面。实验结果显示，被解理的表面确实拥有不同于体态的能带结构，而进一步的分析则显示了顺时针旋转的自旋特性。最后，研究团队证实通过在晶体表面加上一些钾原子，即是进行“电子掺杂”，晶体表面能带可以被急剧地弯曲。结果随着电子掺杂程度的增加，电子的自旋手性从顺时针改变为逆时针（图3）。

在改善信息传输效率等方面的潜在应用

研究人员能够随意扭转GdV₆Sn₆晶体表面电子的自旋手性的能力，使到这晶体潜力大增，有望成为众多实际电子应用的候选材料。

马博士说：“未来我们也许能够借着在局部施加电压，或使用静电闸（electrostatic gate），去直接操控或调节电子带结构，从而交替改变1-6-6笼目金属表面电子的自旋手性。”他进一步解释，“控制电子的自旋极化方向是一种极具吸引力的替代方法，去取代传统上基于电荷的存在或不存在而发展而成的二进制数码编码技术。后者速度相对缓慢，而且可能导致装置发热等问题，而我们的新技术可以显著提高数码信息传输的效率，同时减少发热，故倘若新技术能与超导体相结合，最终甚至有机会在量子计算机运算中大派用场。”

这项研究的论文第一作者是瑞士保罗谢尔研究所（PSI）胡勇博士和中国科学院吴贤新博士。通讯作者则分别是胡博士、马博士和PSI的史明教授。其他合作者包括提供实验样品的美国罗格斯大学谢韦伟教授以及德国马克斯•普朗克研究所的Andreas Schnyder教授。

在这项工作中，马博士得到了香港城大、中国国家自然科学基金以及广东省基础与应用基础研究基金的资助。其他合作者则得到了瑞士国家科学基金、中瑞科技合作计划、中国国家自然科学基金和美国能源部基础能源科学计划的支持。

论文︰Hu, Y., Wu, X., Yang, Y. Gao, S., Plumb, N.C., Schnyder, A.P., Xie, W., Ma, J., Shi, M. Tunable topological Dirac surface states and van Hove singularities in kagome metal GdV₆Sn₆. Science Advances 8 (38), eadd2024 (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add2024