普林斯頓大學(xué)的研究人員研究了室溫下磁性材料中電子的行為,，發(fā)現(xiàn)它們參與了“威爾環(huán)”集體量子行為。

普林斯頓大學(xué)M. Zahid Hasan研究團(tuán)隊(duì)合影,。

據(jù)美國(guó)物理學(xué)網(wǎng)9月19日?qǐng)?bào)道,，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員帶領(lǐng)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，磁性材料在室溫下使電子表現(xiàn)出了“違背直覺(jué)”的行為：它們是集體行動(dòng)的,。這種行為與無(wú)質(zhì)量粒子和反粒子的共存方式相似,，并形成了奇特的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

電子的異常共存行為涉及拓?fù)鋵W(xué),。拓?fù)鋵W(xué)是研究晶體中電子行為的重要數(shù)學(xué)分支學(xué)科,。拓?fù)洳牧习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“減速光”,，但與光不同的是，它攜帶著電荷,。磁性材料中很少能觀察到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，而在室溫下發(fā)現(xiàn)磁性拓?fù)洳牧细蔷薮蟮耐黄啤Ｆ樟炙诡D大學(xué)物理學(xué)教授M. Zahid Hasan說(shuō)：“在此之前,，涉及磁體三維拓?fù)涮匦缘挠^點(diǎn)還沒(méi)有定論,。新發(fā)現(xiàn)為我們?cè)谖⒂^層面上解釋這類現(xiàn)象提供了直接和決定性的證據(jù)。”

Hasan教授和他的團(tuán)隊(duì)花了十余年時(shí)間研究候選材料,，以尋找拓?fù)浯帕孔討B(tài),。 雖然地球上存在著數(shù)千種磁性材料，但絕大多數(shù)材料都不具備拓?fù)湫再|(zhì),。磁性材料的結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,，無(wú)法從理論上建立模型，因此研究人員也無(wú)法觀察到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的決定性實(shí)驗(yàn)特征,。幸運(yùn)的是,，Hasan教授團(tuán)隊(duì)找到了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。Hasan實(shí)驗(yàn)室博士后研究員,、論文作者Ilya Belopolski說(shuō)：“在被許多磁性材料打擊之后,，我們?cè)跍y(cè)試一組室溫磁體時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了無(wú)質(zhì)量電子的特征。這使我們走上了發(fā)現(xiàn)首個(gè)三維拓?fù)浯畔嘀??！?/p>

這種奇異的磁性晶體由鈷、錳和鎵構(gòu)成,，它們以有序的,、重復(fù)性三維圖案排列。為了研究材料的拓?fù)錉顟B(tài),，研究人員使用了角分辨光發(fā)射光譜技術(shù)（簡(jiǎn)稱ARPS）,。高強(qiáng)度的光照射到樣品上，迫使電子從表面發(fā)射出來(lái),，研究人員通過(guò)測(cè)量這些電子,，可以獲取其在晶體內(nèi)的行為方式等信息。普林斯頓大學(xué)訪問(wèn)學(xué)者Daniel Sanchez說(shuō)：“在ARPS的幫助下,，我們?cè)诖朋w中觀測(cè)到了威爾費(fèi)米子的存在,。”當(dāng)研究人員深入研究威爾費(fèi)米子時(shí),，他們發(fā)現(xiàn)磁體上似乎有無(wú)數(shù)不同的無(wú)質(zhì)量電子,，它們以環(huán)形狀態(tài)存在，其中部分電子還表現(xiàn)出與反粒子類似的性質(zhì),。這種電子集體量子行為的全稱為“磁拓?fù)渫栙M(fèi)米子環(huán)”,。Hasan實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Guoqing Chang說(shuō)：“這是一種非常新奇的體系。它甚至與粒子物理學(xué)家研究亞原子粒子時(shí)的經(jīng)驗(yàn)不太契合,?！?/p>

三維拓?fù)浯朋w只有在表面電子波函數(shù)呈鼓形時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出最奇異的特征。這構(gòu)成了拓?fù)浯朋w的新特征,。Hasan等在他們的研究中觀察到了鼓形電子態(tài),，這為證明它是一種新的物質(zhì)狀態(tài)提供了決定性證據(jù),。麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授Patrick Lee沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他對(duì)研究的重要性發(fā)表了評(píng)論,。他說(shuō)：“Hasan團(tuán)隊(duì)一直站在發(fā)現(xiàn)拓?fù)湫虏牧系那把?。他們的研究為量子磁體開辟了新思路,?！?/p>

此外，Hasan團(tuán)隊(duì)還研究了電磁場(chǎng)對(duì)拓?fù)浯朋w的影響,。他們?cè)谑覝叵掠^察到了一種奇特的電磁反應(yīng),。Hasan補(bǔ)充說(shuō)：“科學(xué)家們找到了很多拓?fù)洳牧希鼈兒茈y顯示出拓?fù)浣怦罟僧a(chǎn)生的清晰電磁響應(yīng),。我們解決了這個(gè)問(wèn)題,。由此，人類或許可以進(jìn)入全新的拓?fù)浯朋w領(lǐng)域,?！?/p>

科界原創(chuàng)

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

責(zé)編：張夢(mèng)

期刊來(lái)源：《科學(xué)》、《自然》等

期刊編號(hào)：0036-8075,、0028-0836等

原文鏈接：

https:///news/2019-09-physicists-topological-behavior-electrons-d.html

版權(quán)聲明：本文由科界平臺(tái)原創(chuàng)編譯,，中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn),。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源科技工作者之家—科界App,。