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物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了三維磁性材料中電子的拓?fù)湫袨?/h1>
2022-06-23 14:04:17 編輯：戚彪雯 來(lái)源：
導(dǎo)讀 由普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)，室溫下的磁性材料使電子的行為違反直覺，而不是作為個(gè)體行動(dòng)。它們的集體行為模仿無(wú)

由普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組發(fā)現(xiàn)，室溫下的磁性材料使電子的行為違反直覺，而不是作為個(gè)體行動(dòng)。它們的集體行為模仿無(wú)質(zhì)量的粒子和反粒子，它們以一種意想不到的方式共存，共同形成一種奇特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

這種行為的關(guān)鍵是拓?fù)鋵W(xué) - 一種數(shù)學(xué)分支，已經(jīng)知道它在決定晶體中電子行為方面發(fā)揮著重要作用。拓?fù)洳牧峡梢园饣蚬庾有问降臒o(wú)質(zhì)量粒子。在拓?fù)渚w中，電子通常表現(xiàn)得像減慢光，但與光不同，它攜帶電荷。

在磁性材料中很少觀察到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在室溫下發(fā)現(xiàn)磁性拓?fù)洳牧鲜窍蚯斑~出的一步，可以為未來(lái)的技術(shù)應(yīng)用開辟利用拓?fù)洳牧系男路椒ā?/p>

“在這項(xiàng)工作之前，三維磁體的拓?fù)湫再|(zhì)的證據(jù)尚無(wú)定論。這些新結(jié)果為我們?cè)谖⒂^層面上的這種現(xiàn)象提供了直接和決定性的證據(jù)，”普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授尤金·希金斯的M. Zahid Hasan說(shuō)。誰(shuí)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。“這項(xiàng)工作開辟了一個(gè)探索拓?fù)浯盆F的新。”

Hasan和他的團(tuán)隊(duì)花了十多年的時(shí)間研究候選材料以尋找拓?fù)浯判粤孔討B(tài)。

“塊狀磁鐵的物理特性已經(jīng)被理解了幾十年。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，一個(gè)自然的問(wèn)題是：磁性和拓?fù)涮匦阅芊窆餐a(chǎn)生三維新東西?” 哈桑說(shuō)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，存在數(shù)千種磁性材料，但大多數(shù)都沒(méi)有正確的性質(zhì)。磁體太難以合成，磁性未被充分理解，磁性結(jié)構(gòu)太復(fù)雜而無(wú)法在理論上建模，或者沒(méi)有觀察到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的決定性實(shí)驗(yàn)特征。

然后是一個(gè)幸運(yùn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

“在研究了許多磁性材料后，我們對(duì)一類室溫磁體進(jìn)行了測(cè)量，并意外地看到了無(wú)質(zhì)量電子的特征，”哈桑實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員兼該研究的共同第一作者伊利亞·貝洛波斯基說(shuō)。“這使我們走上了發(fā)現(xiàn)第一個(gè)三維拓?fù)浯畔嗟牡缆贰?rdquo;

外來(lái)磁性晶體由鈷，錳和鎵組成，以有序，重復(fù)的三維圖案排列。為了探索材料的拓?fù)錉顟B(tài)，研究人員使用了一種稱為角分辨光電子能譜的技術(shù)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，高強(qiáng)度光照射在樣品上，迫使電子從表面發(fā)射。然后可以測(cè)量這些發(fā)射的電子，提供有關(guān)電子在晶體內(nèi)時(shí)的行為方式的信息。

“這是一種極其強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在這種情況下，我們可以直接觀察到這種磁體中的電子表現(xiàn)得像無(wú)質(zhì)量一樣。這些無(wú)質(zhì)量電子被稱為Weyl費(fèi)米子，”普林斯頓訪問(wèn)研究員和博士Daniel Sanchez說(shuō)。 .D。哥本哈根大學(xué)的學(xué)生，也是該研究的另一位共同第一作者。

當(dāng)研究人員更密切地研究Weyl費(fèi)米子時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的洞察力出現(xiàn)了，并且認(rèn)識(shí)到磁體有一系列無(wú)限的無(wú)質(zhì)量電子，它們采用環(huán)狀的形式，一些電子模仿粒子和一些反粒子的特性。這種電子的集體量子行為被稱為磁拓?fù)鋀eyl費(fèi)米子環(huán)。

“這真是一個(gè)充滿異國(guó)情調(diào)和新穎的系統(tǒng)，”Hasan小組的博士后研究員，該研究的共同第一作者郭國(guó)慶說(shuō)。“這些粒子中的集體電子行為不同于我們?nèi)粘Ｉ钪惺煜さ娜魏螙|西 - 甚至是粒子物理學(xué)家研究亞原子粒子的經(jīng)驗(yàn)。在這里，我們正在處理遵守不同自然規(guī)律的緊急粒子。”

事實(shí)證明，這些屬性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是描述無(wú)限大量無(wú)質(zhì)量電子的數(shù)學(xué)量。研究人員通過(guò)觀察生活在樣本表面和內(nèi)部更深處的電子行為差異的細(xì)微變化，能夠確定拓?fù)涞淖饔?。通過(guò)表面和整體性質(zhì)的對(duì)比來(lái)展示拓?fù)淞康募夹g(shù)由Hasan的小組開創(chuàng)并用于檢測(cè)Weyl費(fèi)米子，這是2015年發(fā)表的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)。該團(tuán)隊(duì)最近使用類似方法發(fā)現(xiàn)拓?fù)涫中跃w，該工作發(fā)表在今年早些時(shí)候的自然雜志也是由哈桑在普林斯頓大學(xué)的小組領(lǐng)導(dǎo)，其中包括丹尼爾桑切斯，郭慶慶和伊利亞貝洛波斯基作為主要作者。

理論預(yù)測(cè)

2017年10月發(fā)表在“ 物理評(píng)論快報(bào)”上的Hasan小組的理論預(yù)測(cè)中探討了拓?fù)渑c磁量子環(huán)粒子之間的關(guān)系。然而，該集團(tuán)對(duì)拓?fù)浯盆F的理論興趣可以追溯到2010年在Nature Materials上發(fā)表的理論預(yù)測(cè).Hosan集團(tuán)的這些理論工作由能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助。

“這項(xiàng)工作代表了大約十年尋求在三個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)拓?fù)浯判粤孔酉嗟母叱保?rdquo;哈桑說(shuō)。

2016年，普林斯頓謝爾曼Fairchild大學(xué)物理學(xué)教授Duncan Haldane因其預(yù)測(cè)一維和二維拓?fù)洳牧咸匦缘睦碚摱@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

結(jié)果的一個(gè)重要方面是材料保持其磁性高達(dá)400攝氏度 - 遠(yuǎn)高于室溫 - 滿足現(xiàn)實(shí)世界技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵要求。

“在我們的工作之前，通常會(huì)觀察到拓?fù)浯判阅?，?dāng)材料的薄膜非常冷 - 比絕對(duì)零度高一個(gè)度 - 需要專門的設(shè)備，只需要達(dá)到必要的溫度。即使少量的熱量也會(huì)使材料熱不穩(wěn)定。拓?fù)浯艩顟B(tài)，“哈桑說(shuō)。“這里研究的量子磁體在室溫下具有拓?fù)湫再|(zhì)。”

三維拓?fù)浯朋w僅在其表面上顯示其最奇特的特征 - 電子波函數(shù)采用鼓面形狀。這在先前已知的磁體中是前所未有的并且構(gòu)成拓?fù)浯朋w的標(biāo)志性特征。研究人員在他們的數(shù)據(jù)中觀察到這種鼓狀電子狀態(tài)，提供了關(guān)鍵的決定性證據(jù)，證明它是一種新的物質(zhì)狀態(tài)。

麻省理工學(xué)院的William&Emma Rogers物理學(xué)教授Patrick Lee沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他評(píng)論了這項(xiàng)研究的重要性。“普林斯頓集團(tuán)長(zhǎng)期以來(lái)一直站在發(fā)現(xiàn)具有拓?fù)湫再|(zhì)的新材料的最前沿，”李說(shuō)。“通過(guò)將這項(xiàng)工作擴(kuò)展到室溫鐵磁性并證明存在一種新的鼓面表面狀態(tài)，這項(xiàng)工作為進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。”

為了理解他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員使用幾種技術(shù)研究了原子在材料表面的排列，例如使用位于地下室的Hasan拓?fù)淞孔游镔|(zhì)和高級(jí)光譜實(shí)驗(yàn)室的掃描隧道顯微鏡檢查正確的對(duì)稱性。普林斯頓大學(xué)的Jadwin Hall。

該發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)者是用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的尖端光譜設(shè)備。研究人員使用了最近在加利福尼亞州門洛帕克SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室的斯坦福同步輻射光源建造的專用光電子束光束線。

“SLAC光電發(fā)射實(shí)驗(yàn)中使用的光非常明亮，并且聚焦到直徑只有幾十微米的微小點(diǎn)，”Belopolski說(shuō)。“這對(duì)這項(xiàng)研究很重要。”

這項(xiàng)工作是與研究院物理研究所的林欣教授和德國(guó)德累斯頓Max Planck固體化學(xué)物理研究所的Claudia Felser教授密切合作進(jìn)行的，包括博士后研究員Kaustuv Manna作為共同第一作者。

在應(yīng)用的誘人可能性的推動(dòng)下，研究人員更進(jìn)一步，將電磁場(chǎng)應(yīng)用于拓?fù)浯朋w，看看它將如何響應(yīng)。他們觀察到室溫下的異常電磁響應(yīng)，這可以直接追溯到量子環(huán)電子。

“我們有許多拓?fù)洳牧希渲泻茈y顯示出由拓?fù)湟鸬拿黠@的電磁響應(yīng)，”Hasan補(bǔ)充說(shuō)。“我們已經(jīng)能夠做到這一點(diǎn)。它為拓?fù)浯盆F開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。”


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