 箭头代表电子自旋从向上的指向 普林斯顿大学研究人员发现了一种新的磁体，它在室温下表现出新颖的量子效应。 研究人员在一个原始磁体中发现了一种量化拓扑相。他们的发现为一个30年前的电子如何自发量化的理论提供了解释，并展示了一种发现新拓扑磁体的原则性证明方法。量子磁体是无耗散电流、高存储容量和未来绿色技术的前景平台。 这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理。这是拓扑效应的一种形式，是1985年诺贝尔物理学奖的主题。理论数学的一个分支，即拓扑学，首次从根本上改变我们对构成我们周围世界的物质的描述和分类方式。从那时起，拓扑相就在科学和工程中得到了密集的研究。许多具有拓扑电子结构的新类量子材料已经被发现，包括拓扑绝缘体和Weyl半金属。然而，虽然一些最令人兴奋的理论想法需要磁性，但大多数探索的材料都是非磁性的，并且没有显示出量化，使得许多诱人的可能性没有得到满足。 领导研究团队的普林斯顿大学尤金-希金斯物理学教授M·扎希德·哈桑说：“发现一种具有量化行为的磁性拓扑材料是向前迈出的重要一步，它可以开启利用量子拓扑学进行未来基础物理和下一代器件研究的新视野。” 1988年，普林斯顿大学数学物理学教授F·邓肯·哈尔丹提出了关于二维拓扑绝缘体的重要理论概念，他因在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相而于2016年获得诺贝尔物理学奖。  “卡戈米晶格”图 随后的理论发展表明，在一种被称为“卡戈米晶格”（ kagome lattice）的特殊原子排列中，拓扑绝缘体宿磁可以承载一些最奇异的量子效应。 自从发现了第一个三维拓扑绝缘体以来，哈桑和他的团队在长达十年的时间里一直在寻找一种可能在室温下运行的拓扑磁量子态。 最近，他们在一种能够在室温下工作的“卡戈米晶格”磁体中找到了解决方案，这种磁体也表现出了人们非常期望的量子化。哈桑教授说：“卡戈米晶格可以被设计成拥有相对论带交叉和强电子-电子相互作用。这两者都是新颖磁性的必要条件。因此，我们意识到这种磁体是一个很有前途的系统。” 长期以来，这种现象的直接材料和实验可视化仍然难以实现。研究团队发现，大多数“卡戈米晶格”磁体的合成难度太大，磁性还没有被充分理解，无法观察到拓扑或量化的决定性实验信号，或者它们只能在很低的温度下工作。 哈桑教授说：“合适的原子化学和磁性结构设计加上第一原理理论是使哈尔丹教授推测成为现实的关键一步。卡戈米晶格磁体有上百种，我们既需要直觉、经验、特定材料的计算，也需要紧张的实验努力，最终找到合适的材料进行深入探索。而这也让我们历经了长达十年的时间。” 通过对几个拓扑磁体家族长达数年的紧张研究，科学家们逐渐意识到，一种由铽、镁和锡元素组成的材料（TbMn6Sn6）具有理想的晶体结构，具有化学纯净、量子力学特性和空间分离的卡格米晶格层。此外，它还具有独特的强平面外磁化特征。随着这种理想的卡戈米晶格磁体在大单晶层面上被北京大学贾爽（Shuang Jia）团队成功合成，哈桑教授的团队开始系统地进行最先进的测量，以检查晶体是否具有拓扑结构，更重要的是，它具有所需的奇异量子磁态。  上图箭头代表电子自旋从卡戈米晶格向上指向。奇异性由逆时针方向的火圈代表，它代表磁体边缘的传播电子/电流。这两个锥体证明磁体的大部分含有狄拉克费米子(线性或锥形的带状分散)，具有能隙(Chern gap)，使其具有拓扑性。 普林斯顿研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的先进技术，这种技术能够在亚原子尺度上以亚毫伏能量分辨率、探测材料的电子和自旋波函数。研究人员确定了晶体中的磁卡戈米原子，这些发现被最先进的具有动量分辨率的角度分辨光发射光谱进一步证实。 今年早些时候在普林斯顿获得博士学位的该研究的合著者张松田（Songtian Sonia Zhang）说：“第一个惊喜是，在我们的扫描隧道显微镜中，这种材料中的磁性卡戈米晶格是超级干净的，这种无缺陷的的实验可视化为探索其固有的拓扑量子特性提供了前所未有的机会。” 真正神奇的时刻是研究人员打开磁场的时候。他们发现，卡戈米晶格的电子状态发生了剧烈的调制，以一种符合狄拉克拓扑学的方式形成了量化能级。通过逐步将磁场提高到9特斯拉，比地球磁场高出数十万倍，他们系统地绘制出了这种磁体的完整量化。 该研究的共同作者、研究生Nana Shumiya说：“找到一个以量化图为特征的拓扑磁系统是极其罕见的。它需要近乎无缺陷的磁性材料设计、微调的理论和尖端的光谱测量。” 该团队测量的量化图提供了精确的信息，揭示了电子相位与哈尔丹模型的变体相匹配。它证实了该晶体具有自旋极化的狄拉克色散，具有较大的切尔恩间隙，正如拓扑磁体的理论所预期的那样。 现在，该小组的理论和实验重点正在转移到与TbMn6Sn6结构相似的几十种化合物上，这些化合物承载着具有各种磁性结构的卡戈米晶格，每个晶格都有其独立的量子拓扑结构。 该研究发表在本周的《自然》杂志上。 |
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