無法停止的磁阻

Unstoppable magnetoresistance
http://phys.org/news/2014-10-unstoppable-magnetoresistance.html

Oct 09, 2014

Mazhar Ali，Bob Cava 實驗室中一位第五年的畢業生。Bob Cava，Princeton 大學，Russell Wellman Moore 化學教授，其學術生涯都在探尋新的超導體 -- 這種材料，據信能讓電子在沒有電阻的情況下流動。在測試其最新的候選物時，他注意到這種半金屬（semimetal）的二碲化鎢（tungsten ditelluride，WTe2）有一種獨特的結果。

Ali 將一磁場施加到 WTe2 的樣本上，那是一種消除超導性的方法（如果有的話），然後看到它的電阻倍增。在好奇心的驅使下，Ali 與 Jun Xiong 一起研究（Princeton 大學 Eugene Higgins 物理學教授，Nai Phuan Ong實驗室的一位學生），一起重測這種材料的磁阻（magnetoresistance），那是當某種材料暴露在強磁場時所產生的電阻變化。

"他注意到磁阻持續上升、上升、再上升 -- 這未曾發生過，" Cava 說。研究者接著將 WTe2 暴露在 60 tesla 的磁場中，那接近人類所能創造的最強磁場，結果觀察到百分之 130 萬的磁阻。這種材料展現出毫無止境的成長，使其成為唯一已知沒有磁飽和點（saturation point）的材料。這些研究結果發表在 9/14 的 Nature 期刊上。

電子資訊儲存是靠磁場在二種截然不同的電阻率數值之間切換，那不是與 1 就是與 0 相關。磁阻愈大，要從某種狀態切換到另一種所需要的磁場就會變得比較小，Ali 說。今日的裝置使用所謂的「巨磁阻（giant magnetoresistance）」成層材料，當施加一磁場時，會出現百分之 20,000 到 30,000 的變化。「巨大磁阻 (Colossal magnetoresistance)」接近百分之 100,000，到目前為止磁阻都是以百分之幾百萬來表示，研究者希望創造一種新的專有名詞。

他們原本的選擇是「ludicrous（譯註：荒唐）」磁阻，靈感來自於「ludicrous speed（譯註：荒唐加速）」，喜劇電影 Spaceballs（星際歪傳）中所虛構的一種快速航行方式。他們甚至寫一篇謝詞給導演 Mel Brooks。但經其他實驗室成員否決後，研究者還曾考慮用「titanic（巨大的、鐵達尼）」，不過在 Nature 編輯的「建議」下，他們最終使用「large magnetoresistance（大[規模]磁阻）」。

撇開專門用語不談，我們所看到的事實是磁阻值異乎尋常的高，這種現象或許能透過 WTe2 的結構來理解。為了利用電子顯微鏡來觀察其結構，研究團隊轉向 Jing Tao，Brookhaven National Laboratory 的研究者。

"Jing 是一位很讚的顯微鏡專家。他們在 Brookhaven 擁有特殊能力，" Cava 說。"其中之一是他們能在 10 Kelvin 的溫度下測量衍射（diffraction）。在地球上沒有太多地球人能夠辦到這件事，不過 Jing 可以。"

電子顯微鏡實驗揭露，成鍊狀排列的鎢二聚體（tungsten dimers，成對鎢原子）的現身，造就了來自古典正交結構類型的關鍵變形（key distortion）。研究團隊提議，WTe2 之所以缺乏磁飽和（saturation），得要歸功於電子與電洞近乎完美的平衡。電洞是行進電子的停泊之處。WTe2 因其結構之故，只有當磁場朝某一方向施加時，才會展現出磁阻。這對於掃描器來說將十分有用，在此多個 WTe2 裝置能用來偵測磁場的位置，Ali 表示。

"除了利用 WTe2 打造裝置之外，身為一個科學家，會想要捫心自問一個問題：它如何能夠做到完美地平衡，這裡有某種意義更深遠的東西，" Cava 說。

※ 詳見原站。相關報導：

＊ Large, non-saturating magnetoresistance in WTe2
http://www.nature.com/nature/journal/v514/n7521/full/nature13763.html

Mazhar N. Ali, Jun Xiong, Steven Flynn, Jing Tao,
Quinn D. Gibson, Leslie M. Schoop, Tian Liang,
Neel Haldolaarachchige, Max Hirschberger,
N. P. Ong & R. J. Cava
Nature 514, 205–208 (09 October 2014)
doi: 10.1038/nature13763

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