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物理学家发现3D磁性材料中电子的拓扑行为

2019-09-23 16:01:31来源:

由普林斯顿大学科学家领导的一个国际研究人员团队发现,室温下的磁性材料使电子能够以反直觉的方式起作用,而不是作为个体起作用。它们的集体行为模仿了无质量的粒子和反粒子,它们以意想不到的方式共存并共同形成了奇特的环状结构。

这种行为的关键是拓扑-一种数学分支,众所周知,它在决定晶体中电子的行为方面起着重要作用。拓扑材料可以包含光或光子形式的无质量粒子。在拓扑晶体中,电子的行为通常像减速的光一样,但是与光不同,电子带有电荷。

很少在磁性材料中观察到拓扑,而在室温下发现磁性拓扑材料是向前迈出的一步,可以开辟利用拓扑材料用于未来技术应用的新方法。

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M. Zahid Hasan说:“在进行这项工作之前,尚无关于磁体三维拓扑特性的证据。这些新结果为大家在微观层面上对该现象提供了直接和决定性的证据。” ,谁领导了这项研究。“这项工作为拓宽拓扑磁铁探索开辟了新大陆。”

哈桑和他的团队花了十多年的时间研究候选材料,以寻找拓扑磁性量子态。

“大块磁体的物理学已有数十年的历史了。对大家来说,一个自然的问题是:磁和拓扑特性能否共同产生出三维的新事物?”哈桑说。

研究人员发现,存在成千上万种磁性材料,但大多数没有正确的特性。磁体太难合成,对磁性的理解还不够,磁性结构太复杂,无法在理论上建模,或者无法观察到拓扑结构的决定性实验特征。

然后是一个幸运的转折点。

哈桑实验室的博士后研究员,该研究的第一编辑伊利亚·贝洛波尔斯基(Ilya Belopolski)说:“在研究了许多磁性材料之后,大家对一类室温磁体进行了测量,出乎意料地看到了无质量电子的信号。”“这使大家踏上了发现第一个三维拓扑磁相的道路。”

奇异的磁性晶体由钴,锰和镓组成,以有序,重复的三维图案排列。为了探索材料的拓扑状态,研究人员使用了一种称为角度分辨光发射光谱的技术。在该实验中,高强度的光照射在样品上,迫使电子从表面发射出去。然后可以测量这些发射的电子,以提供有关电子在晶体内部时的行为的信息。

普林斯顿大学客座研究员,物理学家丹尼尔·桑切斯(Daniel Sanchez)说:“这是一种非常强大的实验技术,在这种情况下,大家可以直接观察到磁体中的电子表现得像是无质量的。这些无质量的电子被称为韦尔费米子。” .D。哥本哈根大学的学生,也是该研究的另一共同第一编辑。

当研究人员更加仔细地研究Weyl费米子时,人们发现了一个关键的见解,即该磁体拥有无穷的一系列无质量的电子,这些电子以环状形式存在,其中一些电子模仿粒子的性质,而某些反粒子。电子的这种集体量子行为已被称为磁拓扑韦尔费米子环。

哈桑研究小组的博士后研究员,该研究的第一编辑,第一编辑张国庆说:“这确实是一个充满异国情调和新颖的系统。”“这些粒子中的集体电子行为与大家的日常经验不同,甚至与粒子物理学家研究亚原子粒子的经验都不相同。在这里,大家正在处理遵循自然规律的新兴粒子。”

事实证明,这些性质的关键驱动因素是描述无质量电子无限序列的数学量。研究人员通过观察样品表面和内部更深处的电子行为差异的细微变化,可以确定拓扑的作用。通过表面和整体性质的对比来显示拓扑量的技术由Hasan小组首创,并用于检测Weyl费米子,这项发现于2015年发表。研究小组最近使用了一种类似的方法来发现拓扑手性晶体,今年早些时候,《自然》杂志也由哈桑在普林斯顿大学的小组领导,包括丹尼尔·桑切斯,张国庆和伊利亚·贝洛波尔斯基为主要编辑。

理论预测

2017年10月在《物理评论快报》上发表的Hasan小组的理论预测中探讨了拓扑与磁性量子环粒子之间的关系。但是,该小组对拓扑磁铁的理论兴趣可追溯到2010年《自然材料》上发表的理论预测。哈桑小组的这些理论著作由美国能源部基础能源科学办公室资助。

哈桑说:“这项工作代表了大约十年来寻求实现三维磁量子量子相的高潮。”

2016年,普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)以其预测一维和二维拓扑材料特性的理论而获得了诺贝尔物理学奖。

结果的一个重要方面是,该材料可以保持高达400摄氏度(远高于室温)的磁性,从而满足现实世界中技术应用的关键要求。

“在大家进行工作之前,通常会在材料薄膜非常冷时观察到拓扑磁性,该温度极低(比绝对零值高出几分之一),仅需专用设备即可达到所需的温度。即使少量热量也会产生热量破坏拓扑磁态的稳定性,”哈桑说。“这里研究的量子磁体在室温下表现出拓扑特性。”

三维拓扑磁铁仅在其表面上显示出最奇特的特征-电子波函数呈鼓面状。这在先前已知的磁体中是空前的,并且构成拓扑磁体的显着特征。研究人员在他们的数据中观察到了这种鼓鼓状的电子状态,提供了至关重要的决定性证据,证明它是一种新颖的物质状态。

麻省理工学院的William&Emma Rogers物理学教授帕特里克·李(Patrick Lee)并未参与这项研究,他评论了这一发现的重要性。李说:“普林斯顿大学一直处于发现具有拓扑特性的新材料的最前沿。”“通过将这项工作扩展到室温铁磁,并证明了新型鼓面表面状态的存在,这项工作为进一步的发现开辟了新领域。”

为了理解他们的发现,研究人员使用多种技术研究了材料表面上原子的排列方式,例如使用位于地下室的Hasan拓扑量子问题实验室和高级光谱学实验室的扫描隧道显微镜检查正确的对称性。普林斯顿大学的贾德温音乐厅。

这一发现的重要贡献是用于进行实验的尖端光谱设备。研究人员使用了最近在斯坦福同步加速器辐射光源上建立的专用光发射光谱光束线,该光束线是加利福尼亚门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的一部分。

Belopolski说:“ SLAC光发射实验中使用的光非常明亮,并聚焦到直径只有几十微米的小点上。”“这对于这项研究很重要。”

这项工作是与台湾中央研究院物理研究所的林欣教授和德国德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所的克劳迪娅·费尔瑟教授(包括博士后研究员Kaustuv)密切合作进行的。 Manna是第一编辑。

在诱人的应用可能性驱使下,研究人员又向前走了一步,将电磁场应用于拓扑磁体,以观察其响应方式。他们观察到高达室温的奇特电磁响应,可以直接追溯到量子环电子。

哈桑补充说:“大家有许多拓扑材料,但是其中很难显示出由拓扑产生的清晰的电磁响应。”“在这里大家已经能够做到这一点。它为拓扑磁铁建立了一个全新的研究领域。”

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