近日，來自艾姆斯實驗室和愛荷華州立大學的一個研究小組及來自美國、德國和英國的合作者發現了一種新型費米弧。研究小組在對稀土單核化物NdBi（neodymium-bismuth）的研究中發現了一種新型費米弧，它在當材料變成反鐵磁時並處於低溫的條件下出現。

金屬中的費米麵是被電子佔據和未被佔據的能量狀態之間的一個邊界。費米麵通常是封閉的輪廓，並形成球體、橢圓體等形狀。位於費米麵的電子控制著材料的許多特性如導電性和導熱性、光學特性等。在極其罕見的情況下，費米表麵包含不相連的部分，這些部分被稱為費米弧，通常跟超導等奇異狀態有關。

研究小組的負責人Adam Kaminski指出，新發現的費米弧是電子帶分裂的結果，它是由佔樣品50%的Nd原子的磁序造成。然而，研究小組在NdBi中觀察到的電子分裂並不是典型的帶分裂行為。

有兩種既定的帶狀分裂類型–Zeeman和Rashba。在這兩種情況下，帶子在分裂後都保持其原來的形狀。研究小組觀察到的帶分裂導致了兩個不同形狀的帶。隨著樣品溫度的降低，這些帶子之間的分離度增加，帶子形狀發生變化，這表明費米子質量發生了變化。

“這種分裂是非常非常不尋常的，因為不僅這些帶子之間的分離度在增加，而且它們的曲率也在改變，”Kaminski說道，“這跟人們迄今為止觀察到的其他任何情況都非常不同。”

以前已知的韋爾半金屬中的費米弧的情況一直存在，因為它們是由材料的晶體結構引起的，而這種結構是很難控制的。然而研究小組在NdBi中發現的費米弧是由樣品中Nd原子的磁性排序引起的。通過施加磁場以及可能通過將Nd離子換成另一種稀土離子如鈰、镨或釤（Ce、Pr或Sm），則可以很容易地改變這種順序。由於埃姆斯實驗室在稀土研究方面處於世界領先地位，因此可以很容易地探索這種成分的變化。

“只要樣品變成反鐵磁性，這種新型的費米弧就會出現。因此，當樣品出現磁性秩序時這些電弧就會出現，似乎是憑空出現的，”Kaminski說道。

據Kaminski介紹稱，這些新費米弧的另一個重要特徵是，它們具有所謂的自旋紋理。在正常的金屬中，每個電子狀態都被兩個電子佔據，一個自旋向上，一個自旋向下，所以沒有淨自旋。新發現的費米弧則在其每個點都有單一的自旋方向。由於它們只存在於磁有序的狀態下，通過施加一個磁脈衝如來自超快激光的磁脈衝，這些電弧可以非常迅速地被打開和關閉。

“擁有這樣的自旋裝飾或自旋紋理是非常重要的，因為電子學的追求之一是擺脫基於電荷的電子學。你現在使用的一切都基於在電線中移動電子，這引發了耗散，”Kaminski說道。

控制電子自旋的能力跟信息技術的一個新分支有關，即自旋電子學–它是基於電子自旋而不是沿著電線移動電荷。

Kaminski解釋道：“我們不是移動電荷，而是翻轉自旋的方向，或導致自旋沿導線的傳播。這些自旋變化在技術上不應該耗散能量，所以以自旋形式存儲信息或以自旋形式移動信息不需要花費很多能量。”

Kaminski強調了這一發現對該領域的重要性，但他說在這些發現能被用於新技術之前仍有許多工作要做。