磁体是人类已知的运用的最古老的技术之一，它现在正处于新时代材料的前沿，因为其可以实现下一代电子设备和量子计算机。由宾夕法尼亚州立大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校领导的研究人员最近发现了一种新的“开关”可以用来控制一种量子材料的磁性，他们的这些发现可能会为开发新型、高效和超快的设备铺平道路。

Hari Padmanabhan是宾夕法尼亚州立大学的研究生，他领导了这项研究。他说：“这种材料——碲化锰铋——独特的量子力学组成使它能够携带无损电流，这是一种具有巨大技术意义的东西。使这种材料特别有趣的是，它的这种行为与其磁性密切相关。因此，控制这种材料磁性的开关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的堆叠层制成的二维材料，它是一种拓扑绝缘体，这种奇异材料同时可以是绝缘体和电导体。重要的是，由于这种材料也是磁性的，因此围绕其边缘传导的电流可能是无损的，这意味着它们不会以热量的形式损失能量。我们只需要找到一种方法来调整材料层之间的弱磁键就可以解锁这些功能。

该团队于近期发表在《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。Padmanabhan说：“声子是微小的原子摆动。原子会以各种模式一起跳舞，它存在于各种材料之中。我们的研究表明，这些原子摆动可以作为一个开关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被称为磁光光谱的技术来研究这种材料。他们将激光发射到材料样品上，并测量反射光的颜色和强度，反射光会携带有关原子振动的信息。该团队还观察了在改变温度和磁场后振动如何变化。当他们改变磁场时，科学家们观察到了声子强度的变化。研究人员表示，这种效应是由于声子影响了弱的层间磁键。

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

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，这要比现代计算机芯片快很多倍。例如，一个3.5GHz的计算机处理器以每秒35亿次的频率运行。

加州大学圣地亚哥分校的研究生、该论文的合著者Peter Kim说：“这个结果的美妙之处在于，我们在不同的机构并使用了不同的互补实验方法来研究了这些材料，它们都明显地收敛在同一张图片上。”

研究人员说，他们还需要进一步研究直接使用这种磁性开关。但如果能够实现这一点，它可能会导致出现超快速的设备，而且这种设备能够有效且可逆地控制无损电流。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程和物理学教授、该论文的合著者Venkatraman Gopalan说：“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，这会导致能源的浪费。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。”（编译:Qtech）