科学家发现一种拓扑磁铁，其具有异国情调的量子效应

箭头代表从kagome格子指向的电子旋转。手性是由逆时针的火焰圈表示，这表示磁体边缘上的传播电子/电流。这两个锥体表明，大部分磁体包含具有能隙（Chern Gap）的Dirac Comimions（带状的线性或锥形分散），使其拓扑。

由普林斯顿大学的研究人员领导的国际团队已经发现了一类新的磁铁，该磁铁表现出延伸到室温的新型量子效应。

研究人员在原始磁铁中发现了一种量化的拓扑相。他们的调查结果提供了洞察力，进入30岁的电子方式自发量化的30岁的理论，并证明了原则上发现新的拓扑磁铁。Quantum Magnets是折射电流，高存储容量和未来绿色技术的有希望的平台。该研究在本周在自然期刊上发表。

发现的根源位于量子霍尔效应的工作中 - 一种拓扑效果的形式，是1985年诺贝尔物理学主题。这是第一次称为拓扑的理论数学分支，将开始从根本上开始改变我们如何描述和分类弥补我们周围世界的物质。从那时起，拓扑阶段都在科学和工程中得到了强烈研究。已经发现了许多新的量子材料，具有拓扑电子结构的量子材料，包括拓扑绝缘体和Weyl Semimetals。然而，虽然一些最令人兴奋的理论思想需要磁性，但大多数探索的材料都是非磁性的，并且没有显示量化，留下了许多诱导的可能性。

“通过量化行为的磁性拓扑材料的发现是前进的主要阶梯，可以解锁利用量子拓扑以供未来的基本物理学和下一代设备研究中的利用量子拓扑的新视野”“普林斯顿的尤金希金斯物理学教授M. Zahid Hasan表示大学领导了研究团队。

箭头代表从kagome格子指向的电子旋转。手性是由逆时针的火焰圈表示，这表示磁体边缘上的传播电子/电流。这两个锥体表明，大部分磁体包含具有能隙（Chern Gap）的Dirac Comimions（带状的线性或锥形分散），使其拓扑。

虽然实验发现正在迅速制造，但理论物理在开发思想中表现出色，导致新的测量。1988年由F. Duncan Haldane提出了2D拓扑绝缘人的重要理论概念，托马斯D.琼斯的数学物理学教授和普林斯顿的谢尔曼飞童大学物理学教授，在2016年被授予理论诺贝尔物理学奖发现拓扑阶段转变和物质拓扑阶段。随后的理论发展显示，称为Kagome格子的特殊原子布置中的拓扑绝缘体托管磁性可以筛选出一些最奇异的量子效应。

哈桑及其团队一直在十年期间寻找拓扑磁量子状态，该拓扑磁量子状态也可能在室温下运行，因为它们发现了三维拓扑绝缘体的第一个例子。最近，它们发现了卤代晶格磁体中的材料解决方案，其能够在室温下操作，这也表现出了所需的量化。“Kagome格子可以设计成具有相对论的带轮和强电子相互作用。两者都对于新型磁性至关重要。因此，我们意识到Kagome Magnets是一个有希望的系统，用于寻找拓扑磁体阶段，因为它们就像我们之前研究过的拓扑绝缘体一样，“Hasan说。

对于这么龙，这种现象的直接材料和实验性可视化仍然难以捉摸。该团队发现，大多数Kagome磁铁太难以合成，磁性尚未充分理解，可以观察到拓扑或量化的决定性实验性签名，或者它们仅在非常低的温度下操作。

“耦合到第一原理理论的合适原子化学和磁性结构设计是使邓肯哈尔达坦在高温凝固中的推测预测现实现实的关键步骤，”Hasan说。“有数百个Kagome磁铁，我们需要直觉，经验，材料特定的计算，并强烈的实验努力，最终找到了深入探索的合适材料。这带我们在十年的旅程中。“

在几年的拓扑磁铁家庭剧烈研究中（自然562,91（2018）;自然体题15,443（2019），Phys。莱特牧师123,196604（2019），自然环境。11,559（2020），物理。莱特牧师125,046401（2020）），该团队逐渐意识到由铽，镁和锡（TBMN6SN6）的元素制成的材料具有化学原始，量子力学性能和空间隔离的Kagome格子层的理想晶体结构。此外，它独特地具有强平面外磁化强化。通过这种理想的Kagome磁铁，在北京大学的沉佳集团的合作中成功地合成了大型单晶水平，Hasan的集团开始系统的最先进的测量来检查晶体是拓扑的，更重要的是所需的异乎寻常的量子磁力状态。

普林斯顿的研究人员使用称为扫描隧道显微镜的先进技术，其能够以子毫伏能量分辨率在子原子秤上探测材料的电子和自旋波形。在这些微调条件下，研究人员鉴定了晶体中的磁性Kagome晶格原子，通过最先进的角度分辨的光学激发光谱进一步证实的结果。

“第一个惊喜是，这种材料中的磁性kagome格子在我们的扫描隧道显微镜中超级清洁，”赢得了博士学位的研究共同作者张艳·索尼亚张说。普林斯顿今年早些时候。“这种无缺陷磁性kagome格子的实验性可视化提供了前所未有的机会来探索其内在拓扑量子特性。”

真正的神奇时刻是当研究人员打开磁场时。他们发现，Kagome格子的电子状态显着调节，以与Dirac拓扑一致的方式形成量化的能量水平。通过逐渐将磁场提升到9特斯拉，这比地球磁场高出了数十万次，系统地绘制了该磁铁的完全量化。“它极为罕见 - 未发现一个 - 找到具有量化图的拓扑磁性系统。这项研究的研究生和共同作者，它需要一个接近缺陷的磁性材料设计，微调理论和尖端光谱测量“娜娜舒梅亚说。

该团队测量的量化图提供了精确的信息，揭示了电子相位与卤代模型的变型匹配。正如拓扑磁体理论所预期的那样，它证实晶体具有大的煤沟间隙的旋转偏振缝隙分散体。然而，一块拼图仍然缺失。“如果这是一个真正的陷阱差距，那么基于基本拓扑批量边界原则，我们应该观察水晶边缘的手性（单向交通）状态，”Hasan说。

当研究人员扫描边界或磁铁的边缘时，决赛部分落入了适当位置。他们发现仅在Chern能量隙中的边缘状态明显签名。沿着晶体侧传播而没有明显的散射（显示其响散的特征），确认该状态是手性拓扑边缘状态。在对拓扑磁铁的任何研究中，这种国家的成像是前所未有的。

研究人员进一步使用了其他工具来检查和重新确认其Chern Papped Dirac Fermions的发现，包括在动量空间中的Dirac色散的异常霍尔缩放，角度分辨光学激励光谱的电气传输测量，以及拓扑顺序的第一原理计算在物质家庭中。该数据提供了完整的链接互联网界面，所有这些频谱都指向该kagome磁体中的量子限位塞相的实现。“所有的碎片都融入了Chern-Papped磁性Dimions物理学的教科书演示，”泰勒A. Cochran，研究生和研究的同事作者说。

现在，本组的理论和实验焦点正在转移到具有与TBMN6SN6类似的结构的数十种化合物，其具有多种磁性结构的Kagome格子，每个磁性结构具有其缺乏量子拓扑。“我们对量子限制Chern相的实验性可视化证明了一种原则上发现新拓扑磁铁的方法，”高级博士研究员和该研究的另一个联合第一作者Jia-xin Yin说。

“这就像发现外出的水 - 它开辟了一个新的拓扑量子研究领域，我们的普林斯顿实验室已被优化，”哈桑说。

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参考：“量子限制在TBMN6SN6中的磁磁性，文龙马，泰勒A. Cochran，Xitong徐，松田S.张，洪菊天，娜娜舒耶，广明成，昆江，彪莲，Zhida宋，郭清昌，伊利亚贝洛克基，丹尼尔·贝尔波斯基，马卡西姆·莱茨维奇，紫嘉成，仙子P.杨，卞卡·斯文普勒，慧斌周，林林，巨荣，齐强王，南瑶，泰荣昌，sh j和m 。Zahid Hasan，2020年7月22日，Nature.Doi：
10.1038 / s41586-020-2482-7

Gordon和Betty Moore基金会支持STM实验工作和拓扑材料的理论预测，达到GBMF9461 / Hasan。ARPES部分实验由美国能源基本能源科学系支持Grant Do-FG-02-05ER46200和DE-FG02-99er45747。普林斯顿的成像和分析中心的工作由普林斯顿中心支持复杂材料，是国家科学基金会（NSF）-MRSEC计划，授予DMR-1420541。额外支持来自国家科学基金会研究生研究奖学金计划，拨款号码DGE-1656466。这项研究使用了先进光源的资源，是在Grant de-AC02-05CH11231下的科学用户设施的DOE办公室。