科学家发现了一种具有奇异量子效应的拓扑磁体

Chern拓扑磁体中电子的手性运动

箭头表示电子自旋从kagome点阵指向上方。手性用逆时针方向的火圈来表示,火圈代表在磁体边缘传播的电子/电流。这两个锥表明,磁体包含带有能量隙(Chern隙)的狄拉克费米子(线性或锥形色散带),使其具有拓扑性质。图片来源:普林斯顿大学M. Zahid Hasan小组

磁体的新型量子效应延伸到室温。

一个国际研究小组由普林斯顿大学发现了一种新型磁体,这种磁体表现出了延伸到室温的新型量子效应。

研究人员在原始磁体中发现了一个量子化的拓扑相。他们的发现为30年前电子如何自发量子化的理论提供了深刻的见解,并展示了发现新拓扑磁体的原理证明方法。量子磁体是无耗散电流、高存储容量和未来绿色技术的有前途的平台。这项研究发表在杂志上自然这个星期。

这一发现的根源在于量子霍尔效应——一种拓扑效应的形式,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,第一次从根本上改变了我们描述和分类构成我们周围世界的物质的方式。从那时起,拓扑相在科学和工程领域得到了广泛的研究。许多新的具有拓扑电子结构的量子材料已经被发现,包括拓扑绝缘体和威尔半金属。然而,虽然一些最激动人心的理论想法需要磁性,但大多数被探索的材料都是非磁性的,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。


箭头表示电子自旋从kagome点阵指向上方。手性用逆时针方向的火圈来表示,火圈代表在磁体边缘传播的电子/电流。这两个锥表明,磁体包含带有能量隙(Chern隙)的狄拉克费米子(线性或锥形色散带),使其具有拓扑性质。

当实验发现迅速被发现时,理论物理学擅长于开发新方法。关于二维拓扑绝缘子的重要理论概念是由普林斯顿大学数学物理托马斯·d·琼斯教授和谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授f·邓肯·霍尔丹于1988年提出的,他在2016年因对拓扑相变和物质拓扑相的理论发现而被授予诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明,在一种被称为kagome晶格的特殊原子排列中,拓扑绝缘体所承载的磁性可以承载一些最奇异的量子效应。

自从发现第一个三维拓扑绝缘体的例子以来,哈桑和他的团队已经花了10年的时间寻找一种也可以在室温下工作的拓扑磁量子态。最近,他们发现了一种材料解决了霍尔丹的猜想,在一个可在室温下工作的kagome晶格磁铁,它也展示了非常想要的量子化。“kagome晶格可以被设计成具有相对论能带交叉和强电子-电子相互作用。这两者对于新的磁力都是必不可少的。因此,我们意识到kagome磁铁是一个很有前途的系统,在其中寻找拓扑磁铁相,因为它们就像我们之前研究的拓扑绝缘体,”哈桑说。

长久以来,这种现象的直接材料和实验可视化仍然是难以捉摸的。研究小组发现,大多数kagome磁铁很难合成,对磁性的理解不够充分,无法观察到拓扑或量子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。

Hasan说:“合适的原子化学和磁性结yabovip2021构设计与第一性原理理论相结合,是使Duncan Haldane的推测在高温环境下成为现实的关键步骤。”“kagome磁铁有数百个,我们需要直觉、经验、特定材料的计算和密集的实验努力,最终找到合适的材料进行深入探索。我们为此进行了长达10年的旅程。”

通过几年来对几种拓扑磁体家族的密集研究(Nature 562, 91 (2018);Nature Phys 15, 443 (2019);Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11,559 (2020), Phys。Rev. Lett. 125, 046401(2020)),该团队逐渐意识到,一种由铽、镁和锡元素制成的材料(TbMn6Sn6)具有化学原始的理想晶体结构,量子力学性能和空间分离的kagome晶格层。此外,它独特的特点是强大的面外磁化。随着理想的kagome磁体在大单晶水平上被北京大学双佳小组的合作者成功合成,Hasan小组开始系统的最先进的测量,以检查晶体是否拓扑,更重要的是,具有所需的奇异量子磁态。

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,这种技术能够以亚毫伏的能量分辨率探测亚原子尺度下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kagome晶格原子,这一发现被最先进的角度分辨的动量分辨光电发射光谱进一步证实。

“第一个惊喜是,在我们的扫描隧道显微镜中,这种材料中的磁性kagome晶格非常干净,”该研究的合著者、今年早些时候在普林斯顿获得博士学位的张松田索尼娅(Songtian Sonia Zhang)说。“这种无缺陷的磁性kagome晶格的实验可视化为探索其固有的拓扑量子属性提供了前所未有的机会。”

真正神奇的时刻是当研究人员打开一个磁场。他们发现,kagome晶格的电子状态会发生戏剧性的变化,形成量子化的能级,这与狄拉克拓扑结构一致。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铁的完全量子化。“发现具有量子化图特征的拓扑磁系统是极其罕见的,迄今为止还没有发现过。它需要一种几乎无缺陷的磁性材料设计、精细的理论和尖端的光谱测量。”

研究小组测量的量子化图提供了精确的信息,揭示了电子相位与霍尔丹模型的一个变体相匹配。它证实了晶体具有自旋极化的狄拉克色散和大的Chern间隙,正如拓扑磁体理论所预期的那样。然而,仍有一块拼图不见了。Hasan说:“如果这真的是Chern间隙,那么基于基本拓扑体边界原理,我们应该观察晶体边缘的手性(单向流动)状态。”

当研究人员扫描磁铁的边界或边缘时,最后一块碎片就就位了。他们发现了一个明显的信号,边缘状态只存在于车能隙中。该状态沿晶体侧面传播,无明显散射(显示其无耗散特性),确定为手性拓扑边缘态。这种状态的成像在以前的拓扑磁体研究中是前所未有的。

研究人员进一步使用其他工具来检查和再次确认他们对Chern间隙Dirac费米子的发现,包括反常霍尔标度的电输运测量、动量空间Dirac色散的角度分辨光电发射光谱、以及材料族拓扑顺序的第一性原理计算。这些数据提供了一个完整的相互关联的证据,所有这些证据都指向在这个kagome磁铁中实现了一个量子极限Chern相。该研究的第一作者之一、研究生泰勒·a·科克伦(Tyler a . Cochran)说:“所有这些碎片组合在一起,就成了一本教科书,展示了车隙磁狄拉克费米子的物理学。”

现在,该团队的理论和实验重点转移到几十种与TbMn6Sn6结构相似的化合物上,这些化合物拥有具有各种磁性结构的kagome晶格,每个晶格都有自己的量子拓扑结构。该研究的另一位共同第一作者、高级博士后研究员尹佳鑫(音)说:“我们的实验可视化Chern相的量子极限展示了一种发现新拓扑磁体的原理证明方法。”

“这就像在一个太阳系外行星-它开辟了拓扑量子物质研究的新前沿,我们在普林斯顿的实验室已经为此进行了优化,”哈桑说。

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参考:“量子极限陈省身磁性TbMn6Sn6”Jia-Xin阴,Wenlong妈,泰勒a·科克伦西铜,Songtian s张Hung-Ju天山,娜娜Shumiya,坤江,光明Cheng完丽安,Zhida歌,国庆,Ilya Belopolski,丹尼尔相乘,马克西姆Litskevich, Zi-Jia Cheng西安p .杨比安卡Swidler Huibin周,林新,提多neipert,王自强,姚楠,常泰荣,贾爽,M. Zahid Hasan, 2020年7月22日,自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 2482 - 7

STM的实验工作和拓扑材料的理论预测得到了Gordon和Betty Moore基金会GBMF9461/HASAN的资助。ARPES部分实验得到了美国能源部基础能源科学基金DOE/BES DE-FG-02-05ER46200和DE-FG02-99ER45747的支持。普林斯顿成像和分析中心的工作是由普林斯顿复合材料中心支持的,该中心是美国国家科学基金会(NSF)的mrsec项目,拨款为DMR-1420541。美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目提供了额外的支持,资助号为DGE-1656466。这项研究使用了先进光源资源,这是美国能源部科学办公室的用户设施,获得了DE-AC02-05CH11231的授权。

3评论关于“科学家发现了一种具有奇异量子效应的拓扑磁体”

  1. 我发现这份报告很难理解,因为我没有任何人可以交谈。我玩磁铁很多年了。我已经73岁了,我可以告诉你如何建造一台可以无限运行的机器。基于《圣经》的法典,比如四十个昼夜,就是法典44。360度除以44等于∞除以∞。同样,666是3-60度角,就像大卫星,对应着北回归线和摩羯座。666 X 2等于360。60是钕的原子序数。144.24原子在。。铸造钕在一个selinoid立方体将对齐金属加工。由十字和8 18度将创建一个电场发电机,将运行在脉冲。你应该知道的还有很多。 This is Energy Without Mass.

  2. 嗨,保罗,我可以跟你多谈谈

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