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物理学家发现了新的量子电子材料

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几十年来，一种被称为kagome模式的编织物的主题已经成为专注的物理学家 。Kagome篮子通常由竹条编织成高度对称的交错，角落共享三角形图案 。
如果可以使金属或其他导电材料在原子尺度上类似于这种kagome图案，其中各个原子以相似的三角形图案排列，理论上它应该具有奇特的电子特性 。
在自然界发表的一篇论文中，来自麻省理工学院，哈佛大学和劳伦斯伯克利实验室的物理学家报告说，他们首次生产了一种kagome金属 - 一种由铁和锡原子层组成的导电晶体，每个原子层以kagome格子的重复图案排列 。
当他们在晶体内的kagome层上流过电流时，研究人员观察到原子的三角形排列在通过电流中引起奇怪的，类似量子的行为 。电子不是直接流过晶格，而是在晶格内转向或弯曲 。
这种行为是所谓的量子霍尔效应的三维表亲，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的圆形路径并沿着边缘流动不失能量 。
麻省理工学院物理学助理教授Joseph Checkelsky说：“通过构建具有固有磁性的kagome铁网络，这种异乎寻常的行为持续到室温和更高温度 。” “晶体中的电荷不仅感受到来自这些原子的磁场，还感受到来自晶格的纯量子力学磁力 。这可能导致在未来几代材料中完全传导，类似于超导性 。“
为了探索这些发现，该团队使用Heinrich Hertz首先发现并由爱因斯坦解释的现代版本的效应来测量晶体内的能谱，称为光电效应 。
“从根本上说，电子首先从材料表面射出，然后被检测为起飞角和动能的函数，”麻省理工学院物理学助理教授Riccardo Comin说 。“由此产生的图像是电子占据的电子水平的非常直接的快照，在这种情况下，他们揭示了几乎无质量的'狄拉克'粒子的产生，光子的电荷版本，即光的量子 。”
光谱显示电子流过晶体的方式表明原始无质量电子获得了相对论质量，类似于称为大质量Dirac费米子的粒子 。从理论上讲，这可以通过晶格的成分铁和锡原子的存在来解释 。前者具有磁性，可产生“手性”或手性 。后者具有较重的核电荷，产生大的局部电场 。当外部电流流过时，它感知锡场不是作为电场而是作为磁场而弯曲 。
研究小组由Checkelsky和Comin以及研究生Linda Ye和Min Gu Kang与Biedenharn物理学副教授梁福和博士后刘俊伟合作领导 。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Lawrence Berkeley实验室的Chris Jozwiak，Aaron Bostwick和Eli Rotenberg 。
“不需要炼金术”
几十年来，物理学家们已经理论化了电子材料可以支持具有固有磁性特征和晶格几何形状的奇异量子霍尔行为 。直到几年前，研究人员才在实现这些材料方面取得了进展 。
“社区意识到，为什么不让系统摆脱磁性，然后系统固有的磁性可能会推动这种行为，”当时正在东京大学担任研究员的Checkelsky说 。
这消除了对观测到这种行为所需的实验室生产场的需求，通常是地球磁场强度的100万倍 。
“几个研究小组能够以这种方式诱导量子霍尔效应，但仍然处于超过绝对零度几度的超冷温度 - 这是将磁性物质磁化成不会自然发生的材料的结果，”Checkelsky说 。
在麻省理工学院，Checkelsky已经找到了用“内在磁性”来推动这种行为的方法 。由Evelyn Tang博士15和温小刚教授的博士工作推动的关键见解是在kagome格子中寻求这种行为 。。为此，第一作者Ye将铁和锡一起研磨，然后在炉中加热所得粉末，在约750摄氏度产生晶体 - 铁和锡原子更喜欢以类似kagome的模式排列的温度 。然后，她将晶体浸入冰浴中，使晶格图案在室温下保持稳定 。
“kagome图案有很大的空白空间，可能很容易用手编织，但在结晶固体中往往不稳定，因为它们更喜欢原子的最佳堆积，”Ye说 。“这里的技巧是用一种在高温下至少稳定的结构中的第二种原子填充这些空隙 。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 。“
弯曲和跳过零能量损失
一旦研究人员生成了几个大约1毫米宽的晶体样本，他们就会将样品交给哈佛大学的合作者，他们使用透射电子显微镜对每个晶体中的各个原子层进行成像 。得到的图像显示每层内的铁和锡原子的排列类似于kagome晶格的三角形图案 。具体而言，铁原子位于每个三角形的拐角处，而单个锡原子位于交错三角形之间产生的较大六边形空间内 。
然后，叶片通过晶体层流过电流，并通过它们产生的电压监测它们的流动 。尽管晶体具有三维特性，但她发现电荷以一种看似二维的方式偏转 。最明确的证据来自共同第一作者Kang的光电子实验，他与LBNL团队合作，能够证明电子光谱对应于有效的二维电子 。
“当我们仔细观察电子乐队时，我们发现了一些与众不同的东西，”康补充道 。“这种磁性材料中的电子表现为大量的狄拉克粒子，这是很久以前就已经预测过的，但在这些系统中从未见过 。”
“这种材料交织磁性和拓扑结构的独特能力表明它们可能会产生其他紧急现象，”Comin说 。“我们的下一个目标是检测和操纵边缘状态，这是这些新发现的量子电子相的拓扑性质的结果 。”
展望未来，该团队正在研究稳定其他更高维度的二维kagome晶格结构的方法 。这些材料，如果它们可以被合成，不仅可以用于探索具有零能量损失的装置，例如无耗散的电力线，而且还可以用于量子计算的应用 。
“对于量子信息科学的新方向，人们越来越关注具有无耗散和手性路径的新型量子电路，”Checkelsky说 。“这些kagome金属为实现这种量子电路新平台提供了新的材料设计途径 。”
【物理学家发现了新的量子电子材料】

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