物理学家发现了三维磁性材料中电子的拓扑行为

由普林斯顿大学的科学家领导的一个国际研究小组发现，室温下的磁性材料使电子的行为违反直觉，而不是作为个体行动。它们的集体行为模仿无质量的粒子和反粒子，它们以一种意想不到的方式共存，共同形成一种奇特的环状结构。

这种行为的关键是拓扑学 - 一种数学分支，已经知道它在决定晶体中电子行为方面发挥着重要作用。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，电子通常表现得像减慢光，但与光不同，它携带电荷。

在磁性材料中很少观察到拓扑结构，在室温下发现磁性拓扑材料是向前迈出的一步，可以为未来的技术应用开辟利用拓扑材料的新方法。

“在这项工作之前，三维磁体的拓扑性质的证据尚无定论。这些新结果为我们在微观层面上的这种现象提供了直接和决定性的证据，”普林斯顿大学物理学教授尤金·希金斯的M. Zahid Hasan说。谁领导了这项研究。“这项工作开辟了一个探索拓扑磁铁的新大陆。”

Hasan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。

“块状磁铁的物理特性已经被理解了几十年。对我们来说，一个自然的问题是：磁性和拓扑特性能否共同产生三维新东西?” 哈桑说。

研究人员发现，存在数千种磁性材料，但大多数都没有正确的性质。磁体太难以合成，磁性未被充分理解，磁性结构太复杂而无法在理论上建模，或者没有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。

“在研究了许多磁性材料后，我们对一类室温磁体进行了测量，并意外地看到了无质量电子的特征，”哈桑实验室的博士后研究员兼该研究的共同第一作者伊利亚·贝洛波斯基说。“这使我们走上了发现第一个三维拓扑磁相的道路。”

外来磁性晶体由钴，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分辨光电子能谱的技术。在这个实验中，高强度光照射在样品上，迫使电子从表面发射。然后可以测量这些发射的电子，提供有关电子在晶体内时的行为方式的信息。

“这是一种极其强大的实验技术，在这种情况下，我们可以直接观察到这种磁体中的电子表现得像无质量一样。这些无质量电子被称为Weyl费米子，”普林斯顿访问研究员和博士Daniel Sanchez说。 .D。哥本哈根大学的学生，也是该研究的另一位共同第一作者。

当研究人员更密切地研究Weyl费米子时，一个关键的洞察力出现了，并且认识到磁体有一系列无限的无质量电子，它们采用环状的形式，一些电子模仿粒子和一些反粒子的特性。这种电子的集体量子行为被称为磁拓扑Weyl费米子环。

“这真是一个充满异国情调和新颖的系统，”Hasan小组的博士后研究员，该研究的共同第一作者郭国庆说。“这些粒子中的集体电子行为不同于我们日常生活中熟悉的任何东西 - 甚至是粒子物理学家研究亚原子粒子的经验。在这里，我们正在处理遵守不同自然规律的紧急粒子。”

事实证明，这些属性的关键驱动因素是描述无限大量无质量电子的数学量。研究人员通过观察生活在样本表面和内部更深处的电子行为差异的细微变化，能够确定拓扑的作用。通过表面和整体性质的对比来展示拓扑量的技术由Hasan的小组开创并用于检测Weyl费米子，这是2015年发表的一项发现。该团队最近使用类似方法发现拓扑手性晶体，该工作发表在今年早些时候的自然杂志也是由哈桑在普林斯顿大学的小组领导，其中包括丹尼尔桑切斯，郭庆庆和伊利亚贝洛波斯基作为主要作者。

理论预测

2017年10月发表在“ 物理评论快报”上的Hasan小组的理论预测中探讨了拓扑与磁量子环粒子之间的关系。然而，该集团对拓扑磁铁的理论兴趣可以追溯到2010年在Nature Materials上发表的理论预测.Hosan集团的这些理论工作由美国能源部基础能源科学办公室资助。

“这项工作代表了大约十年寻求在三个维度上实现拓扑磁性量子相的高潮，”哈桑说。

2016年，普林斯顿谢尔曼Fairchild大学物理学教授Duncan Haldane因其预测一维和二维拓扑材料特性的理论而获得诺贝尔物理学奖。

结果的一个重要方面是材料保持其磁性高达400摄氏度 - 远高于室温 - 满足现实世界技术应用的关键要求。

“在我们的工作之前，通常会观察到拓扑磁性能，当材料的薄膜非常冷 - 比绝对零度高一个度 - 需要专门的设备，只需要达到必要的温度。即使少量的热量也会使材料热不稳定。拓扑磁状态，“哈桑说。“这里研究的量子磁体在室温下具有拓扑性质。”

三维拓扑磁体仅在其表面上显示其最奇特的特征 - 电子波函数采用鼓面形状。这在先前已知的磁体中是前所未有的并且构成拓扑磁体的标志性特征。研究人员在他们的数据中观察到这种鼓状电子状态，提供了关键的决定性证据，证明它是一种新的物质状态。

麻省理工学院的William&Emma Rogers物理学教授Patrick Lee没有参与这项研究，他评论了这项研究的重要性。“普林斯顿集团长期以来一直站在发现具有拓扑性质的新材料的最前沿，”李说。“通过将这项工作扩展到室温铁磁性并证明存在一种新的鼓面表面状态，这项工作为进一步的发现开辟了一个新的领域。”

为了理解他们的发现，研究人员使用几种技术研究了原子在材料表面的排列，例如使用位于地下室的Hasan拓扑量子物质和高级光谱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Jadwin Hall。

该发现的一个重要贡献者是用于进行实验的尖端光谱设备。研究人员使用了最近在加利福尼亚州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源建造的专用光电子束光束线。

“SLAC光电发射实验中使用的光非常明亮，并且聚焦到直径只有几十微米的微小点，”Belopolski说。“这对这项研究很重要。”

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Max Planck固体化学物理研究所的Claudia Felser教授密切合作进行的，包括博士后研究员Kaustuv Manna作为共同第一作者。

在应用的诱人可能性的推动下，研究人员更进一步，将电磁场应用于拓扑磁体，看看它将如何响应。他们观察到室温下的异常电磁响应，这可以直接追溯到量子环电子。

“我们有许多拓扑材料，但其中很难显示出由拓扑引起的明显的电磁响应，”Hasan补充说。“我们已经能够做到这一点。它为拓扑磁铁开辟了一个全新的研究领域。”