東京工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家闡明了拓?fù)浣^緣子的磁性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為有關(guān)這些材料中能帶結(jié)構(gòu)隨溫度變化的最新辯論提供了新的見識，這些材料表現(xiàn)出不尋常的量子現(xiàn)象，并被認(rèn)為在下一代電子，自旋電子學(xué)和量子計(jì)算機(jī)中至關(guān)重要。

拓?fù)浣^緣體具有表面導(dǎo)電但內(nèi)部絕緣的特性。這種看似簡單，獨(dú)特的特性使這些材料可以容納大量奇特的量子現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對于量子計(jì)算機(jī)，自旋電子學(xué)和先進(jìn)的光電系統(tǒng)很有用。

但是，要解鎖某些不尋常的量子特性，必須在拓?fù)浣^緣體中感應(yīng)磁性。換句話說，需要實(shí)現(xiàn)材料中電子相互對準(zhǔn)的某種“順序”。2017年，提出了實(shí)現(xiàn)這一壯舉的新方法。所謂的“磁性延伸”技術(shù)是指將磁性材料的單層插入拓?fù)浣^緣體的最頂層，從而避免了由其他可用方法(如摻雜磁性雜質(zhì))引起的問題。

不幸的是，磁性擴(kuò)展的使用導(dǎo)致了關(guān)于所得材料的電子帶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜問題和矛盾的答案，這決定了電子的可能能級并最終決定了材料的導(dǎo)電性能。已知拓?fù)浣^緣子在其電子能帶結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出所謂的狄拉克錐(DC)，該錐帶類似于兩個(gè)彼此面對的錐。理論上，普通拓?fù)浣^緣子沒有直流電，但是由于感應(yīng)磁場而變得空缺。但是，科學(xué)界尚未就兩個(gè)錐形尖端之間的間隙與材料的磁性特征之間的相關(guān)性達(dá)成實(shí)驗(yàn)共識。

為了解決這一問題，最近，來自多所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家進(jìn)行了一項(xiàng)由日本東京科技大學(xué)的Tos Hirahara副教授領(lǐng)導(dǎo)的合作研究。他們通過在經(jīng)過充分研究的拓?fù)浣^緣體 Bi 2 Te 3上沉積Mn和Te來制造磁性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家認(rèn)為，額外的Mn層將與Bi 2 Te 3相互作用更強(qiáng)，并且新興的磁性可能歸因于DC間隙的變化，正如Hirahara解釋說：“我們希望牢固的層間磁相互作用將導(dǎo)致這種情況。與以前的研究相比，磁性能和直流間隙之間的對應(yīng)關(guān)系是明確的。”

通過檢查樣品的電子能帶結(jié)構(gòu)和光發(fā)射特性，他們證明了直流間隙如何隨溫度升高而逐漸閉合。此外，他們分析了樣品的原子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了兩種可能的構(gòu)型，即MnBi 2 Te 4 / Bi 2 Te 3和Mn 4 Bi 2 Te 7 / Bi 2 Te 3，后者是造成直流間隙的原因。

但是，一個(gè)令人困惑的發(fā)現(xiàn)是，直流間隙閉合的溫度遠(yuǎn)高于臨界溫度(TC)，在該溫度以上，材料失去了永久的磁序。這與先前的研究形成了鮮明的對比，先前的研究表明，在高于材料的TC的溫度下，DC間隙仍可以打開而不閉合。Hirahara在此說明：“我們的結(jié)果首次顯示，TC上方的遠(yuǎn)距離磁階損失與DC間隙閉合無關(guān)。”

盡管需要進(jìn)一步努力闡明直流間隙的性質(zhì)與磁性能之間的關(guān)系，但這項(xiàng)研究是朝正確方向邁出的一步。希望對這些量子現(xiàn)象有更深入的了解，將有助于我們?yōu)橄乱淮娮訉W(xué)和量子計(jì)算獲得拓?fù)浣^緣體的力量。