箭頭代表電子自旋從向上的指向

普林斯頓大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的磁體,，它在室溫下表現(xiàn)出新穎的量子效應(yīng)。

研究人員在一個(gè)原始磁體中發(fā)現(xiàn)了一種量化拓?fù)湎?。他們的發(fā)現(xiàn)為一個(gè)30年前的電子如何自發(fā)量化的理論提供了解釋,，并展示了一種發(fā)現(xiàn)新拓?fù)浯朋w的原則性證明方法。量子磁體是無耗散電流,、高存儲(chǔ)容量和未來綠色技術(shù)的前景平臺(tái),。

這一發(fā)現(xiàn)的根源在于量子霍爾效應(yīng)的工作原理。這是拓?fù)湫?yīng)的一種形式,，是1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主題,。理論數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，即拓?fù)鋵W(xué),，首次從根本上改變我們對(duì)構(gòu)成我們周圍世界的物質(zhì)的描述和分類方式,。從那時(shí)起，拓?fù)湎嗑驮诳茖W(xué)和工程中得到了密集的研究,。許多具有拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的新類量子材料已經(jīng)被發(fā)現(xiàn),，包括拓?fù)浣^緣體和Weyl半金屬。然而,，雖然一些最令人興奮的理論想法需要磁性,，但大多數(shù)探索的材料都是非磁性的，并且沒有顯示出量化,，使得許多誘人的可能性沒有得到滿足,。

領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)的普林斯頓大學(xué)尤金-希金斯物理學(xué)教授M·扎希德·哈桑說：“發(fā)現(xiàn)一種具有量化行為的磁性拓?fù)洳牧鲜窍蚯斑~出的重要一步，它可以開啟利用量子拓?fù)鋵W(xué)進(jìn)行未來基礎(chǔ)物理和下一代器件研究的新視野,?！?/p>

1988年,，普林斯頓大學(xué)數(shù)學(xué)物理學(xué)教授F·鄧肯·哈爾丹提出了關(guān)于二維拓?fù)浣^緣體的重要理論概念，他因在理論上發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎喽?016年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

“卡戈米晶格”圖

隨后的理論發(fā)展表明,，在一種被稱為“卡戈米晶格”（ kagome lattice）的特殊原子排列中，拓?fù)浣^緣體宿磁可以承載一些最奇異的量子效應(yīng),。

自從發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)三維拓?fù)浣^緣體以來,，哈桑和他的團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)間里一直在尋找一種可能在室溫下運(yùn)行的拓?fù)浯帕孔討B(tài)。

最近,，他們?cè)谝环N能夠在室溫下工作的“卡戈米晶格”磁體中找到了解決方案,，這種磁體也表現(xiàn)出了人們非常期望的量子化。哈桑教授說：“卡戈米晶格可以被設(shè)計(jì)成擁有相對(duì)論帶交叉和強(qiáng)電子-電子相互作用,。這兩者都是新穎磁性的必要條件,。因此，我們意識(shí)到這種磁體是一個(gè)很有前途的系統(tǒng),?！?/p>

長(zhǎng)期以來，這種現(xiàn)象的直接材料和實(shí)驗(yàn)可視化仍然難以實(shí)現(xiàn),。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，大多數(shù)“卡戈米晶格”磁體的合成難度太大，磁性還沒有被充分理解,，無法觀察到拓?fù)浠蛄炕臎Q定性實(shí)驗(yàn)信號(hào),，或者它們只能在很低的溫度下工作。

哈桑教授說：“合適的原子化學(xué)和磁性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加上第一原理理論是使哈爾丹教授推測(cè)成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵一步,。卡戈米晶格磁體有上百種,，我們既需要直覺,、經(jīng)驗(yàn)、特定材料的計(jì)算,，也需要緊張的實(shí)驗(yàn)努力,，最終找到合適的材料進(jìn)行深入探索。而這也讓我們歷經(jīng)了長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)間,?！?/p>

通過對(duì)幾個(gè)拓?fù)浯朋w家族長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的緊張研究，科學(xué)家們逐漸意識(shí)到,，一種由鋱,、鎂和錫元素組成的材料（TbMn6Sn6）具有理想的晶體結(jié)構(gòu)，具有化學(xué)純凈,、量子力學(xué)特性和空間分離的卡格米晶格層,。此外,，它還具有獨(dú)特的強(qiáng)平面外磁化特征。隨著這種理想的卡戈米晶格磁體在大單晶層面上被北京大學(xué)賈爽（Shuang Jia）團(tuán)隊(duì)成功合成,，哈桑教授的團(tuán)隊(duì)開始系統(tǒng)地進(jìn)行最先進(jìn)的測(cè)量,，以檢查晶體是否具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更重要的是,，它具有所需的奇異量子磁態(tài),。

上圖箭頭代表電子自旋從卡戈米晶格向上指向。奇異性由逆時(shí)針方向的火圈代表,，它代表磁體邊緣的傳播電子/電流,。這兩個(gè)錐體證明磁體的大部分含有狄拉克費(fèi)米子(線性或錐形的帶狀分散)，具有能隙(Chern gap),，使其具有拓?fù)湫浴?/p>

普林斯頓研究團(tuán)隊(duì)使用了一種被稱為掃描隧道顯微鏡的先進(jìn)技術(shù),，這種技術(shù)能夠在亞原子尺度上以亞毫伏能量分辨率、探測(cè)材料的電子和自旋波函數(shù),。研究人員確定了晶體中的磁卡戈米原子,，這些發(fā)現(xiàn)被最先進(jìn)的具有動(dòng)量分辨率的角度分辨光發(fā)射光譜進(jìn)一步證實(shí)。

今年早些時(shí)候在普林斯頓獲得博士學(xué)位的該研究的合著者張松田（Songtian Sonia Zhang）說：“第一個(gè)驚喜是,，在我們的掃描隧道顯微鏡中,，這種材料中的磁性卡戈米晶格是超級(jí)干凈的，這種無缺陷的的實(shí)驗(yàn)可視化為探索其固有的拓?fù)淞孔犹匦蕴峁┝饲八从械臋C(jī)會(huì),?！?/p>

真正神奇的時(shí)刻是研究人員打開磁場(chǎng)的時(shí)候。他們發(fā)現(xiàn),，卡戈米晶格的電子狀態(tài)發(fā)生了劇烈的調(diào)制,，以一種符合狄拉克拓?fù)鋵W(xué)的方式形成了量化能級(jí)。通過逐步將磁場(chǎng)提高到9特斯拉,，比地球磁場(chǎng)高出數(shù)十萬倍,，他們系統(tǒng)地繪制出了這種磁體的完整量化。

該研究的共同作者,、研究生Nana Shumiya說：“找到一個(gè)以量化圖為特征的拓?fù)浯畔到y(tǒng)是極其罕見的,。它需要近乎無缺陷的磁性材料設(shè)計(jì)、微調(diào)的理論和尖端的光譜測(cè)量,?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)測(cè)量的量化圖提供了精確的信息，揭示了電子相位與哈爾丹模型的變體相匹配,。它證實(shí)了該晶體具有自旋極化的狄拉克色散,，具有較大的切爾恩間隙，正如拓?fù)浯朋w的理論所預(yù)期的那樣,。

現(xiàn)在,，該小組的理論和實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)正在轉(zhuǎn)移到與TbMn6Sn6結(jié)構(gòu)相似的幾十種化合物上,，這些化合物承載著具有各種磁性結(jié)構(gòu)的卡戈米晶格，每個(gè)晶格都有其獨(dú)立的量子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

該研究發(fā)表在本周的《自然》雜志上,。