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一直到最大

在拓扑材料中,电子可以表现出与“传统”物质根本不同的行为,而且许多这种“奇异”现象的大小与被称为“Chern数”的实体成正比。新的实验首次证实了在真实材料中可以达到并控制理论上预测的最大焦耳数。

当瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)将2016年诺贝尔物理学奖授予大卫·索利斯(David Thouless)、邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)和迈克尔·科斯特利茨(Michael Kosterlitz)时,他们称赞这三人“打开了一扇通向未知世界的大门,在那里,物质可以呈现出奇怪的状态”。物质的拓扑相变和拓扑相的发现远非一件怪事,这三位理论家对此做出了至关重要的贡献,它已发展成为当今凝聚态物理最活跃的研究领域之一。例如,拓扑材料有望制造出新型电子元件和超导体,而且它们在物理和数学领域有着深刻的联系。

虽然新现象经常被发现,但仍有一些基本的方面有待解决。其中之一就是拓扑现象在真实材料中有多“强”。为了解决这个问题,由PSI博士后研究员尼尔斯·施罗德领导的国际研究团队现在提供了一个重要的基准。他们在《科学》杂志上发表了一篇实验报告,他们在实验中观察到,拓扑半金属钯镓(PdGa)中最常见的拓扑现象分类器之一——陈氏数(Chern number)可以达到任何金属晶体中允许的最大值。这在真实材料中是可能的,这以前从未被证明过。此外,研究小组还建立了控制Chern数符号的方法,这可能为探索和开发拓扑现象带来新的机会。

发展到最大限度

在理论工作中已经预测,在拓扑半金属中,晶体数不能超过4的量级。手性晶体作为显示最大Chern数现象的候选体系被提出。这些材料的晶格结构具有明确的旋向性,也就是说它们不能通过旋转和平动的任何组合转化成镜像。几个候选结构已经被研究。然而,对于一个正或负4的Chern数的结论性实验观察,仍然是难以捉摸的。以前的努力受到两个因素的阻碍。首先,实现最大的Chern数的一个先决条件是存在自旋轨道耦合,而且至少在目前研究的一些材料中,耦合是相对较低的,使它难以解决感兴趣的分裂。第二,制备相关晶体干净而平整的表面一直是一项非常具有挑战性的工作,因此光谱特征往往被淘汰。

Schroter等人通过使用PdGa晶体克服了这两个限制。这种材料显示出很强的自旋轨道耦合,并且已经有了完善的方法来产生完美的表面。此外,在PSI的瑞士光源的高级共振光谱(ADRESS)束线,他们有独特的能力处理高分辨率ARPES实验,从而解决预测的泄密光谱模式。结合在钻石光源(英国)的进一步测量和专门的从头算,这些数据揭示了在PdGa的电子结构中硬和快速的签名,毫无疑问,最大的Chern数已经实现。

把手放在陈氏号上

研究小组更进一步,超越了最大焦耳数的观测范围。他们指出,PdGa晶体的手性也提供了控制该数字符号的可能性。为了证明这种控制,他们培养了左手或右手的样本(见图)。当他们观察这两种对映体的电子结构时,他们发现晶体的手性反映在电子波函数的手性上。综上所述,这意味着在手性半金属中,在晶体生长过程中可以确定的手性构型可以用来控制材料中电子行为产生的拓扑现象。这种控制开启了新实验的宝库。例如,在不同的对映体界面上可能会出现新的效应,一个是Chern值为 4的,另一个是-4的。而且它的应用前景也很可观。手性拓扑半金属可以寄主诸如量子化光电流等迷人的现象。有趣的是,PdGa以其催化性能而闻名,这就引出了拓扑现象在这一过程中的作用的问题。

最后,发现现在获得PdGa摆脱电子乐队由其他手性compounds-meaning共享属性的角落“未知世界,物质可以假设奇怪的国家”,散粒和他的同事们现在冒险可能会有更多的提供。

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