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物理學家發現了三維磁性材料中電子的拓撲行為

科技 2019-09-20 09:27:40

由普林斯頓大學的科學家領導的一個國際研究小組發現,室溫下的磁性材料使電子的行為違反直覺,而不是作為個體行動。它們的集體行為模仿無質量的粒子和反粒子,它們以一種意想不到的方式共存,共同形成一種奇特的環狀結構。

這種行為的關鍵是拓撲學 - 一種數學分支,已經知道它在決定晶體中電子行為方面發揮着重要作用。拓撲材料可以包含光或光子形式的無質量粒子。在拓撲晶體中,電子通常表現得像減慢光,但與光不同,它攜帶電荷。

在磁性材料中很少觀察到拓撲結構,在室溫下發現磁性拓撲材料是向前邁出的一步,可以為未來的技術應用開辟利用拓撲材料的新方法。

“在這項工作之前,三維磁體的拓撲性質的證據尚無定論。這些新結果為我們在微觀層面上的這種現象提供了直接和決定性的證據,”普林斯頓大學物理學教授尤金·希金斯的M. Zahid Hasan說。誰領導了這項研究。“這項工作開辟了一個探索拓撲磁鐵的新大陸。”

Hasan和他的團隊花了十多年的時間研究候選材料以尋找拓撲磁性量子态。

“塊狀磁鐵的物理特性已經被理解了幾十年。對我們來說,一個自然的問題是:磁性和拓撲特性能否共同産生三維新東西?” 哈桑說。

研究人員發現,存在數千種磁性材料,但大多數都沒有正确的性質。磁體太難以合成,磁性未被充分理解,磁性結構太複雜而無法在理論上建模,或者沒有觀察到拓撲結構的決定性實驗特征。

然後是一個幸運的轉折點。

“在研究了許多磁性材料後,我們對一類室溫磁體進行了測量,并意外地看到了無質量電子的特征,”哈桑實驗室的博士後研究員兼該研究的共同第一作者伊利亞·貝洛波斯基說。“這使我們走上了發現第一個三維拓撲磁相的道路。”

外來磁性晶體由钴,錳和镓組成,以有序,重複的三維圖案排列。為了探索材料的拓撲狀态,研究人員使用了一種稱為角分辨光電子能譜的技術。在這個實驗中,高強度光照射在樣品上,迫使電子從表面發射。然後可以測量這些發射的電子,提供有關電子在晶體内時的行為方式的信息。

“這是一種極其強大的實驗技術,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得像無質量一樣。這些無質量電子被稱為Weyl費米子,”普林斯頓訪問研究員和博士Daniel Sanchez說。 .D。哥本哈根大學的學生,也是該研究的另一位共同第一作者。

當研究人員更密切地研究Weyl費米子時,一個關鍵的洞察力出現了,并且認識到磁體有一系列無限的無質量電子,它們采用環狀的形式,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撲Weyl費米子環。

“這真是一個充滿異國情調和新穎的系統,”Hasan小組的博士後研究員,該研究的共同第一作者郭國慶說。“這些粒子中的集體電子行為不同于我們日常生活中熟悉的任何東西 - 甚至是粒子物理學家研究亞原子粒子的經驗。在這裡,我們正在處理遵守不同自然規律的緊急粒子。”

事實證明,這些屬性的關鍵驅動因素是描述無限大量無質量電子的數學量。研究人員通過觀察生活在樣本表面和内部更深處的電子行為差異的細微變化,能夠确定拓撲的作用。通過表面和整體性質的對比來展示拓撲量的技術由Hasan的小組開創并用于檢測Weyl費米子,這是2015年發表的一項發現。該團隊最近使用類似方法發現拓撲手性晶體,該工作發表在今年早些時候的自然雜志也是由哈桑在普林斯頓大學的小組領導,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。

理論預測

2017年10月發表在“ 物理評論快報”上的Hasan小組的理論預測中探讨了拓撲與磁量子環粒子之間的關系。然而,該集團對拓撲磁鐵的理論興趣可以追溯到2010年在Nature Materials上發表的理論預測.Hosan集團的這些理論工作由美國能源部基礎能源科學辦公室資助。

“這項工作代表了大約十年尋求在三個維度上實現拓撲磁性量子相的高潮,”哈桑說。

2016年,普林斯頓謝爾曼Fairchild大學物理學教授Duncan Haldane因其預測一維和二維拓撲材料特性的理論而獲得諾貝爾物理學獎。

結果的一個重要方面是材料保持其磁性高達400攝氏度 - 遠高于室溫 - 滿足現實世界技術應用的關鍵要求。

“在我們的工作之前,通常會觀察到拓撲磁性能,當材料的薄膜非常冷 - 比絕對零度高一個度 - 需要專門的設備,隻需要達到必要的溫度。即使少量的熱量也會使材料熱不穩定。拓撲磁狀态,“哈桑說。“這裡研究的量子磁體在室溫下具有拓撲性質。”

三維拓撲磁體僅在其表面上顯示其最奇特的特征 - 電子波函數采用鼓面形狀。這在先前已知的磁體中是前所未有的并且構成拓撲磁體的标志性特征。研究人員在他們的數據中觀察到這種鼓狀電子狀态,提供了關鍵的決定性證據,證明它是一種新的物質狀态。

麻省理工學院的William&Emma Rogers物理學教授Patrick Lee沒有參與這項研究,他評論了這項研究的重要性。“普林斯頓集團長期以來一直站在發現具有拓撲性質的新材料的最前沿,”李說。“通過将這項工作擴展到室溫鐵磁性并證明存在一種新的鼓面表面狀态,這項工作為進一步的發現開辟了一個新的領域。”

為了理解他們的發現,研究人員使用幾種技術研究了原子在材料表面的排列,例如使用位于地下室的Hasan拓撲量子物質和高級光譜實驗室的掃描隧道顯微鏡檢查正确的對稱性。普林斯頓大學的Jadwin Hall。

該發現的一個重要貢獻者是用于進行實驗的尖端光譜設備。研究人員使用了最近在加利福尼亞州門洛帕克SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源建造的專用光電子束光束線。

“SLAC光電發射實驗中使用的光非常明亮,并且聚焦到直徑隻有幾十微米的微小點,”Belopolski說。“這對這項研究很重要。”

這項工作是與台灣中央研究院物理研究所的林欣教授和德國德累斯頓Max Planck固體化學物理研究所的Claudia Felser教授密切合作進行的,包括博士後研究員Kaustuv Manna作為共同第一作者。

在應用的誘人可能性的推動下,研究人員更進一步,将電磁場應用于拓撲磁體,看看它将如何響應。他們觀察到室溫下的異常電磁響應,這可以直接追溯到量子環電子。

“我們有許多拓撲材料,但其中很難顯示出由拓撲引起的明顯的電磁響應,”Hasan補充說。“我們已經能夠做到這一點。它為拓撲磁鐵開辟了一個全新的研究領域。”

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