由普林斯頓大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新型的磁體，該磁體具有可擴(kuò)展至室溫的新型量子效應(yīng)。

研究人員在原始磁鐵中發(fā)現(xiàn)了量化的拓?fù)湎?。他們的發(fā)現(xiàn)提供了對(duì)已有30年歷史的電子自發(fā)量子化理論的深刻見(jiàn)解，并證明了一種發(fā)現(xiàn)新拓?fù)浯朋w的原理驗(yàn)證方法。量子磁體是實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗電流，高存儲(chǔ)容量和未來(lái)綠色技術(shù)的有前途的平臺(tái)。這項(xiàng)研究本周發(fā)表在《自然》雜志上。

這一發(fā)現(xiàn)的根源在于量子霍爾效應(yīng)的工作原理-這種形式的拓?fù)湫?yīng)是1985年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主題。這是理論數(shù)學(xué)的第一個(gè)分支，即拓?fù)鋵W(xué)，將首次從根本上開(kāi)始改變我們描述和分類構(gòu)成周?chē)澜绲氖挛锏姆绞?。從那時(shí)起，在科學(xué)和工程領(lǐng)域就對(duì)拓?fù)潆A段進(jìn)行了深入研究。已發(fā)現(xiàn)許多具有拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)的新型量子材料，包括拓?fù)浣^緣體和Weyl半金屬。但是，盡管一些最令人興奮的理論想法需要磁性，但所探索的大多數(shù)材料都是非磁性的，并且沒(méi)有量化，因此，許多誘人的可能性無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

普林斯頓大學(xué)尤金·希金斯物理學(xué)教授M. Zahid Hasan表示：“發(fā)現(xiàn)具有定量行為的磁性拓?fù)洳牧鲜窍蚯斑~出的重要一步，可以為利用量子拓?fù)錇槲磥?lái)的基礎(chǔ)物理學(xué)和下一代設(shè)備研究開(kāi)辟新的視野。大學(xué)，領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)。

在迅速取得實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，理論物理學(xué)也擅長(zhǎng)提出新的測(cè)量方法。F維·鄧肯·霍爾丹(F. Duncan Haldane)，托馬斯·D·瓊斯(Thomas D.Jones)數(shù)學(xué)物理學(xué)教授和謝爾曼·費(fèi)爾柴爾德大學(xué)物理系教授于1988年提出了有關(guān)二維拓?fù)浣^緣體的重要理論概念，后者于2016年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。用于物質(zhì)的拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嗟睦碚摪l(fā)現(xiàn)。隨后的理論發(fā)展表明，以特殊的原子排列(稱為kagome晶格)容納拓?fù)浣^緣子的磁性可以容納一些最奇怪的量子效應(yīng)。

自從他們發(fā)現(xiàn)了三維拓?fù)浣^緣子的第一個(gè)例子以來(lái)，Hasan和他的團(tuán)隊(duì)一直在尋找可能也在室溫下工作的拓?fù)浯判粤孔討B(tài)長(zhǎng)達(dá)十年之久。最近，他們發(fā)現(xiàn)了能夠在室溫下工作的，kagome晶格磁體中的Haldane猜想的一種材料解決方案，該磁體還表現(xiàn)出了非常需要的量化。“ kagome晶格可以被設(shè)計(jì)為具有相對(duì)論性能帶交叉和強(qiáng)電子-電子相互作用。兩者對(duì)于新型磁性都是必不可少的。因此，我們意識(shí)到，kagome磁體是一種有前途的系統(tǒng)，可在其中尋找拓?fù)浯朋w相，就像它們我們之前研究過(guò)的拓?fù)浣^緣子。”

長(zhǎng)期以來(lái)，這種現(xiàn)象的直接材料和實(shí)驗(yàn)可視化一直難以捉摸。研究小組發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)kagome磁體太難合成，對(duì)磁性的了解還不夠，無(wú)法觀察到拓?fù)浠蛄炕臎Q定性實(shí)驗(yàn)特征，或者它們只能在非常低的溫度下工作。

哈桑說(shuō)：“將合適的原子化學(xué)和磁性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與第一性原理相結(jié)合，是使鄧肯·霍爾丹的投機(jī)預(yù)測(cè)在高溫環(huán)境下切實(shí)可行的關(guān)鍵步驟。” “有數(shù)百個(gè)kagome磁鐵，我們需要直覺(jué)，經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)特定材料的計(jì)算以及大量的實(shí)驗(yàn)工作，才能最終找到合適的材料進(jìn)行深入探索。這使我們走了十年的旅程。”

通過(guò)對(duì)拓?fù)浯朋w的多個(gè)系列的多年深入研究(Nature 562，91(2018); Nature Phys 15，443(2019)，Phys。Rev.Lett.123，196604(2019)，Nature Commun.11，559( 2020年》，《物理學(xué)評(píng)論》第125卷，第046401頁(yè)(2020年))，研究小組逐漸意識(shí)到，由ter，錳和錫元素(TbMn6Sn6)制成的材料具有理想的晶體結(jié)構(gòu)，具有化學(xué)原始，量子力學(xué)性質(zhì)和空間分布隔離的kagome晶格層。此外，它獨(dú)特地具有強(qiáng)大的面外磁化強(qiáng)度。來(lái)自北京大學(xué)雙佳研究小組的合作者成功地在大型單晶水平上成功合成了這種理想的kagome磁體，Hasan小組開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)的最新技術(shù)測(cè)量，以檢查晶體是否為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更重要的是，

普林斯頓大學(xué)的研究人員使用了一種稱為掃描隧道顯微鏡的先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)能夠在亞原子級(jí)以亞毫伏能量分辨率探測(cè)材料的電子和自旋波函數(shù)。在這些微調(diào)的條件下，研究人員確定了晶體中的磁性kagome晶格原子，這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步得到了動(dòng)量分辨率的最新角度分辨光發(fā)射光譜的證實(shí)。

該研究的合著者Songtian Sonia Zhang說(shuō)：“首先令人驚訝的是，這種材料中的磁性kagome晶格在我們的掃描隧道顯微鏡中非常干凈。” 今年早些時(shí)候在普林斯頓。這種無(wú)缺陷的磁性kagome晶格的實(shí)驗(yàn)可視化為探索其固有的拓?fù)淞孔有再|(zhì)提供了前所未有的機(jī)會(huì)。”

真正的神奇時(shí)刻是研究人員打開(kāi)磁場(chǎng)的那一刻。他們發(fā)現(xiàn)，kagome晶格的電子狀態(tài)發(fā)生了劇烈的調(diào)制，從而以與Dirac拓?fù)湟恢碌姆绞叫纬闪肆炕哪芗?jí)。通過(guò)逐漸將磁場(chǎng)提高到9特斯拉(比地球磁場(chǎng)高數(shù)十萬(wàn)倍)，他們系統(tǒng)地繪制出了該磁體的完整量化信息。Nana Shumiya說(shuō)：“找到具有量化圖的拓?fù)浯畔到y(tǒng)是非常罕見(jiàn)的-尚未找到。它需要幾乎無(wú)缺陷的磁材料設(shè)計(jì)，精細(xì)調(diào)整的理論和尖端的光譜測(cè)量” ，該研究的研究生和合著者。

團(tuán)隊(duì)測(cè)量的量化圖提供了精確的信息，表明電子相與Haldane模型的變體匹配。它證實(shí)了晶體具有自旋極化的Dirac色散，具有大的Chern間隙，這是拓?fù)浯朋w理論所期望的。但是，仍然缺少一個(gè)難題。哈桑說(shuō)：“如果這確實(shí)是一個(gè)切恩缺口，那么根據(jù)基本的拓?fù)潴w邊界原理，我們應(yīng)該觀察晶體邊緣的手性(單向交通)狀態(tài)。”

當(dāng)研究人員掃描磁體的邊界或邊緣時(shí)，最后一塊就位了。他們僅在Chern能隙內(nèi)發(fā)現(xiàn)了邊緣狀態(tài)的清晰特征。沿著晶體的側(cè)面?zhèn)鞑ザ鴽](méi)有明顯的散射(這表明其無(wú)耗散特性)，該狀態(tài)被確認(rèn)為手性拓?fù)溥吘墵顟B(tài)。這種狀態(tài)的成像在以前的任何拓?fù)浯朋w研究中都是前所未有的。

研究人員進(jìn)一步使用其他工具來(lái)檢查和確認(rèn)他們對(duì)Chern缺口Dirac費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)，包括異常霍爾標(biāo)度的電遷移測(cè)量，Dirac擴(kuò)散在動(dòng)量空間中的角度分辨光發(fā)射光譜以及拓?fù)湓淼牡谝恍栽碛?jì)算在物質(zhì)家族中。數(shù)據(jù)提供了完整的相互聯(lián)系的證據(jù)譜，所有證據(jù)都表明在這種kagome磁體中實(shí)現(xiàn)了量子限制的Chern相。研究生和該研究的第一作者，作家泰勒·科克倫說(shuō)：“所有這些部分都組合在一起，成為了一本有關(guān)陳氏隙磁性狄拉克費(fèi)米子物理學(xué)的教科書(shū)演示。”

現(xiàn)在，該小組的理論和實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了數(shù)十種與TbMn6Sn6具有相似結(jié)構(gòu)的化合物，這些化合物具有具有各種磁性結(jié)構(gòu)的kagome晶格，每個(gè)晶格都有其各自的量子拓?fù)?。高?jí)博士后研究員，該研究的另一共同第一作者尹佳欣說(shuō)：“我們對(duì)量子極限Chern相的實(shí)驗(yàn)可視化證明了一種發(fā)現(xiàn)新的拓?fù)浯盆F的原理方法。”

哈桑說(shuō)：“這就像在系外行星中發(fā)現(xiàn)水一樣，這為我們?cè)谄樟炙诡D實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了優(yōu)化的拓?fù)淞孔游镔|(zhì)研究開(kāi)辟了一個(gè)新領(lǐng)域。”