新發現的籠目金屬晶體，將成為新一代高速電子裝置新動力

一支由香港城市大學（城大）物理學家共同領導的跨國研究團隊對一種嶄新的「籠目」（kagome）（又譯︰戈薇）金屬晶體進行了系統的研究，由於具有獨特的原子結構，這種晶體的表面呈現出不尋常的電子活動，因此令晶體具備潛質，或可用來進一步開發更快、更小的微電子裝置。

籠目金屬晶體於近年被科學家發現，是一種擁有「籠目」結構的金屬化合物。GdV₆Sn₆由三種元素組成，分別是：釓（Gd）、釩（V）和錫（Sn），被歸類為 「1-6-6」材料，以顯示GdV₆Sn₆晶體中所存在的三種金屬元素的比例。這金屬化物的原子以複雜但有規律的幾何方式排列，形狀好像日本竹籃子常見的「kagome」編織圖案，即是六個等邊三角形圍繞一個六邊形。這種特殊的原子排列方法，為金屬晶體帶來了不平凡及特殊的表面特徵。

這是因為在正常情況下，原子中帶負電荷的電子，圍繞著帶正電的原子核在不同距離和分立的能帶中移動。然而，在GdV₆Sn₆的金屬晶體表面，外露的原子層被預測為會相互發生作用，使到晶體表面電子的拓撲結構，即是「能帶」的形狀和位置出現變形，形成一種受保護的表面態。從理論上說，這種表面態可以帶來一種嶄新及穩定的電子特性。可是在此之前，科學家過去在GdV₆Sn₆或任何籠目金屬中，還沒有成功地明確發現到上述的特殊電子特性。

首次在籠目金屬中觀測到中不尋常的表面電子活動

有份帶領這項研究的香港城大物理學系助理教授馬均章博士說：「我們的科研團隊首次明確地觀測到，原來籠目金屬表面能夠實際存在一種拓撲保護的電子能帶結構，即是『拓撲上的非平庸狄拉克表面態』（topologically non-trivial Dirac surface states）。」馬博士續解釋說：「由於（晶體）電子的固有自旋和電荷，電子產生了它們自己的磁場，它們的活動就像微小的陀螺儀一樣，同時具有自旋和傾斜的角度。我們證明了在GdV6Sn6之中，其表面電子遭重新排序又或是出現自旋極化（spin-polarised），而它們的傾斜度令它們圍繞著垂直於表面的一條共同軸線重新定位。」

電子有序地圍繞著的那條共同軸線就是它們的 「自旋手性」（spin chirality），它可以是順時針方向，也可以是逆時針方向。更重要的是，研究團隊能夠通過對金屬晶體表面進行簡單的物理改動，便成功逆轉了自旋手性方向。馬博士補充說：「因為我們發現自旋極化電子的自旋手性很容易被逆轉，故我們發現的新物料在自旋電子學領域的下一代晶體管中，將具有巨大的應用潛力。」

 

這項研究已於2022年9月21日在科學期刊《科學進展》（Science Advances）上發表。今次研究的背後動機，是建基於科學家在考慮了GdV₆Sn₆籠目晶體的特殊特徵之後，對它新穎的表面電子帶結構進行了理論上的預測，因而希望透過是次研究，印證這預測的真確性。GdV₆Sn₆籠目晶體的特殊特徵包括它的V₃Sn層堆疊於Sn和GdSn₂的交替層之間（圖2（i）），多個V₃Sn單元則以幾何方式排列在「籠目層」（kagome layer）之中。被稱為籠目層，是因其六個等邊三角形圍繞一個六邊形的重複圖案，類似於日本竹籃子的編織圖案（圖2（ii））。此外，V₃Sn籠目層是非磁性的，而GdSn₂層則是磁性的。

為進行研究，團隊的研究人員首次通過加熱Gd、V和Sn三種金屬再緩慢冷卻有關的產物，以製造GdV₆Sn₆晶體。然後，通過單晶X射線衍射確認了晶體的化學成分和結構之後，研究人員透過堆積層解理了晶體，並利用角分辨光電子能譜（ARPES）分析了晶體被解理後所曝露出來的表面。實驗結果顯示，被解理的表面確實擁有不同於體態的能帶結構，而進一步的分析則顯示了順時針旋轉的自旋特性。最後，研究團隊證實通過在晶體表面加上一些鉀原子，即是進行「電子摻雜」，晶體表面能帶可以被急劇地彎曲。結果隨著電子摻雜程度的增加，電子的自旋手性從順時針改變為逆時針（圖2）。

在改善信息傳輸效率等方面的潛在應用

研究人員能夠隨意扭轉GdV₆Sn₆晶體表面電子的自旋手性的能力，使到這晶體潛力大增，有望成為眾多實際電子應用的候選材料。

馬博士說：「未來我們也許能夠藉著在局部施加電壓，或使用靜電閘（electrostatic gate），去直接操控或調節電子帶結構，從而交替改變1-6-6籠目金屬表面電子的自旋手性。」他進一步解釋：「控制電子的自旋極化方向是一種極具吸引力的替代方法，去取代傳統上基於電荷的存在或不存在而發展而成的二進制數碼編碼技術。後者速度相對緩慢，而且可能導致裝置發熱等問題，而我們的新技術可以顯著提高數碼信息傳輸的效率，同時減少發熱，故倘若新技術能與超導體相結合，最終甚至有機會在量子計算機運算中大派用場。」

這項研究的論文第一作者是瑞士保羅謝爾研究所（PSI）胡勇博士和中國科學院吳賢新博士。通訊作者則分別是胡博士、馬博士和PSI的史明教授。其他合作者包括提供實驗樣品的美國羅格斯大學謝韋偉教授以及德國馬克斯•普朗克研究所的Andreas Schnyder教授。

在這項工作中，馬博士得到了香港城大、中國國家自然科學基金以及廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助。其他合作者則得到了瑞士國家科學基金、中瑞科技合作計劃、中國國家自然科學基金和美國能源部基礎能源科學計劃的支持。

論文︰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