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科学家们发现了一种展示奇异量子效应的拓扑磁体

由普林斯顿大学(Princeton University)研究人员领导的一个国际团队发现了一种新型磁体,这种磁体具有可以延伸到室温的新型量子效应。

研究人员在一个原始磁体中发现了一个量子化的拓扑相位。他们的发现为30年前电子如何自发量化的理论提供了见解,并展示了发现新的拓扑磁体的原理证明方法。量子磁体在无耗散电流、高存储容量和未来绿色技术方面是很有前途的平台。这项研究发表在本周的《自然》杂志上。

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理。量子霍尔效应是一种拓扑效应,是1985年诺贝尔物理学奖的主题。这是理论数学的一个分支,称为拓扑学,第一次开始从根本上改变我们描述和分类组成我们周围世界的物质的方式。从那以后,拓扑学阶段在科学和工程中得到了深入的研究。目前已经发现了许多具有拓扑电子结构的新型量子材料,包括拓扑绝缘子和韦尔半金属。然而,当一些最激动人心的理论想法需要磁性时,大多数被探索的材料都是非磁性的,并且没有显示出量子化,留下许多诱人的可能性没有实现。

“电磁拓扑材料的发现与量子化行为是前进了一大步,可以解锁新的视野在利用量子拓扑为未来基础物理和下一代设备研究”m . Zahid哈桑说,普林斯顿大学物理学的尤金·希金斯教授领导的研究团队。

自从发现了第一个三维拓扑绝缘体的例子,哈桑和他的团队已经花了十年的时间来寻找一种也可以在室温下工作的拓扑磁量子态。最近,他们在可戈薇晶格磁体中找到了霍尔丹猜想的物质解决方案,可戈薇晶格磁体能够在室温下工作,也表现出了人们渴望的量子化。戈果米晶格可以被设计成具有相对论带交叉和强电子-电子相互作用。这两者对于新磁性来说都是必不可少的。因此,我们意识到可果美磁体是一个很有前途的系统,在其中寻找拓扑磁体相,因为它们就像我们之前研究的拓扑绝缘体,”哈桑说。

长期以来,这一现象的直接物质和实验可视化一直是难以捉摸的。研究小组发现,戈果米的大多数磁体都很难合成,其磁性还没有被充分理解,不能观察到拓扑或量化的决定性实验特征,或者它们只能在非常低的温度下工作。

“适当的原子化学和磁性结构设计与第一性原理理论相结合,是使邓肯·霍尔丹的推测在高温环境下成为现实的关键一步,”哈桑说。“可果美有数百种磁铁,我们需要直觉、经验、特定材料的计算和密集的实验努力,最终找到深入探索所需的合适材料。”这让我们走上了长达十年的道路。”

普林斯顿大学的研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的先进技术,这种技术能够在亚原子尺度上以亚毫伏的能量分辨率探测材料的电子和自旋波函数。在这些微调的条件下,研究人员确定了晶体中的磁性可戈ome晶格原子,这一发现被最先进的具有动量分辨率的角度分辨光发射光谱技术进一步证实。

“第一个令人惊讶的是,在我们的扫描隧道显微镜中,这种材料中的磁性戈戈梅晶格非常干净,”宋田的张妮娅(Sonia Zhang)说,她是这项研究的合著者,今年早些时候在普林斯顿获得了博士学位。“这种无缺陷的磁戈果米晶格的实验可视化为探索其固有拓扑量子特性提供了一个前所未有的机会。”

真正神奇的时刻是当研究人员打开磁场的时候。他们发现戈果米晶格的电子态发生了剧烈的调制,形成了与狄拉克拓扑相一致的量子化能级。通过逐渐将磁场提高到9特斯拉,这是地球磁场的数十万倍,他们系统地绘制出了这个磁体的完全量子化。“找到具有量子化图的拓扑磁性系统是极其罕见的,迄今还没有发现。它需要几乎没有缺陷的磁性材料设计、微调的理论和尖端的光谱测量。

该小组测量的量化图提供了精确的信息,表明电子相位与霍尔丹模型的一个变体相匹配。它证实了该晶体具有一个自旋极化Dirac色散具有一个大的Chern间隙,正如拓扑磁体理论所预期的那样。然而,仍然缺少一块拼图。Hasan说:“如果这真的是一个Chern间隙,那么根据基本拓扑边界原理,我们应该在晶体边缘观察到手性(单向流动)状态。”

现在,该小组的理论和实验重点转移到数十种结构与TbMn6Sn6相似的化合物上,这些化合物的可戈ome晶格具有各种不同的磁性结构,每个都有各自的量子拓扑。“我们对量子极限陈氏相的实验可视化展示了一种发现新的拓扑磁体的原理验证方法,”该研究的另一位共同第一作者、高级博士后研究员殷佳欣(Jia-Xin Yin)说。

“这就像在太阳系外行星中发现水一样,它开辟了量子物质拓扑研究的新前沿,而我们在普林斯顿的实验室正是为此而优化的,”哈桑说。

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