物理学家发现的新量子电子材料

可果美金属量子电子材料

这幅插图描绘了一种可果ome金属——一种导电晶体,由铁和锡原子层构成,每一层原子都以可果ome晶格的重复模式排列。图片:菲利斯Frankel;插图覆盖:切尔西特纳

“可果金属”的原子结构类似于日本的篮子编织图案,表现出奇异的量子行为。

几十年来,物理学家们一直在研究日本篮子编织的一种图案——果美图案。果戈梅篮子通常是用竹条编织成高度对称的交错三角形图案。

如果可以使金属或其他导电材料在原子刻度上类似于这样的kagome图案,则在以类似的三角形图案中布置的单独原子,它应该理论上表现出异国情调的电子特性。

在今天发表的一篇论文中自然物理学家,麻省理工学院哈佛大学和劳伦斯伯克利国家实验室的报告称,他们首次生产出了一种可果ome金属——一种导电晶体,由铁和锡原子层构成,每个原子层都以可果ome晶格的重复模式排列。

当它们流过晶体内的Kagome层的电流时,研究人员观察到原子的三角形布置在通过电流中诱导的奇怪量子状的行为。而不是直接通过格子,而是在晶格内弯曲的电子。

这种行为是所谓的量子霍尔效应的三维表窦,其中流过二维材料的电子将表现出“手性,拓扑状态”,其中它们弯曲成紧密,圆形的路径和沿边缘的流动没有失去能量。

麻省理工学院物理学助理教授约瑟夫·切克尔斯基说:“通过构建铁的可戈ome网络,这种奇异的行为可以在室温或更高的温度下持续存在。”“晶体中的电荷不仅能感受到来自这些原子的磁场,还能感受到来自晶格的纯粹量子机械磁力。这可能会导致未来几代材料的完美导电,类似于超导。”

为了探索这些发现,该团队测量了晶体内部的能谱,使用了由海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)首次发现并由爱因斯坦(Einstein)解释的效应的现代版本,即光电效应。

“基本上,电子首先从材料表面喷射,然后作为起飞角度和动能的函数检测,”麻省理工学院的物理助理教授Riccardo Comin说。“所得到的图像是电子电平的非常直接的电子水平的快照,在这种情况下,他们揭示了几乎无麻的'Dirac'颗粒的产生,电荷的光子的光子,光的Quanta。”

光谱显示,电子在晶体中流动的方式表明,最初没有质量的电子获得了相对质量,类似于被称为大质量的狄拉克费米子的粒子。理论上,这可以用晶格中组成的铁和锡原子的存在来解释。前者具有磁性,并产生“旋向性”或手性。后者具有较重的核电荷,产生较大的局部电场。当外部电流流过时,它感觉锡的磁场不是电场而是磁场,然后弯曲。

该研究团队由切克尔斯基和科明领导,研究生叶琳达和康敏谷,拜登汉物理系副教授傅亮和博士后刘俊伟共同合作。该团队还包括Christina Wicker ' 17,麻省理工学院的研究科学家Takehito Suzuki,哈佛大学的Felix von Cube和David Bell,以及劳伦斯伯克利国家实验室的Chris Jozwiak, Aaron Bostwick和Eli Rotenberg。

“不需要炼金术”

物理学家几十年来看,电子材料可以用其固有的磁性和格子几何来支持异国量子厅行为。直到几年前,这不是研究人员在实现这些材料方面取得了进展。

“社区意识到,为什么不使系统摆脱磁力,然后系统的固有磁性可能会推动这种行为,”Checkelsky说,他当时正在担任东京大学的研究员。

这消除了对实验室产生的田地的需求,通常是占地的磁场强度100万次,所以需要观察这种行为。

“几个研究小组能够以这种方式诱导量子霍尔效果,但仍然在超低的温度上方几度绝对零度-这是将磁性硬塞进一种不自然产生磁性的材料的结果,”切克尔斯基说。

在麻省理工学院,切克尔斯基转而寻找用“内在磁性”驱动这种行为的方法。一个关键的见解,是受到15位博士的Evelyn Tang和Wen Xiao-Gang教授的博士工作的启发,是在可果美晶格中寻找这种行为。为了做到这一点,第一作者Ye将铁和锡磨碎,然后在熔炉中加热,在大约750度的温度下产生晶体科尔斯群岛- 铁和锡原子较喜欢以kagome的图案布置的温度。然后,她在冰浴中浸没在冰浴中,使晶格图案能够在室温下保持稳定。

叶说:“可果美图案有很大的空隙,可以很容易手工编织,但在晶体中往往不稳定,喜欢原子最好的排列方式。”这里的技巧是用第二种类型的原子这种结构在高温下至少是稳定的。实现这些量子材料不需要炼金术,而是需要材料科学和耐心。”

向着零能量损失的弯曲和跳跃

当研究人员培养了几个晶体样本,每个大约一毫米宽后,他们把样本交给了哈佛大学的合作者,后者使用透射电子显微镜对每个晶体中的单个原子层进行了成像。结果显示,铁和锡原子在每一层的排列类似于kagome晶格的三角形图案。具体来说,铁原子位于每个三角形的角上,而单个锡原子位于交错三角形之间形成的更大的六角形空间内。

然后Ye让电流通过晶体层,并通过它们产生的电压来监测它们的流动。她发现,尽管晶体本身是三维的,但电荷的偏转似乎是二维的。决定性的证据来自共同第一作者康的光电子实验,他与LBNL团队合作,能够证明电子光谱有效地对应于二维电子。

“当我们仔细观察电子带时,我们注意到一些不寻常的东西,”康补充说。“这种磁性材料中的电子表现得像大质量的狄拉克粒子,这在很久以前就被预测到了,但在这些系统中从未见过。”

“这种材料与交织磁性和拓扑的独特能力表明,他们可能会选择其他紧急现象,”Comin说。“我们的下一个目标是检测和操纵边缘状态,这些边缘是这些新发现的量子电子阶段的拓扑性质的结果。”

为了进一步研究,该团队现在正在研究稳定其他高度二维的kagome晶格结构的方法。这种材料,如果可以合成,不仅可以用于探索零能量损失的设备,如无耗散的电力线,而且可以应用于量子计算

“对于量子信息科学的新方向,人们对具有无耗散和手性路径的新型量子电路越来越感兴趣,”切克尔斯基说。“这些果美金属为实现量子电路的新平台提供了一种新的材料设计途径。”

该研究部分受到戈登和贝蒂摩尔基金会和国家科学基金会的支持。

1条评论关于“物理学家发现的新量子电子材料”

  1. 原子方向具有三维,具有特殊的各向异性,如铁磁性、抗磁性和太阳磁性

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