古怪的反应磁性呈现量子物理神秘 - “必须有一些异国情调的物理学！”

示意图，示出了MNBI2Te4表面上的磁性和导电行为。如红色箭头所示，磁点均匀向上，并且由沙漏结构表示的表面电子是导电，因为顶部和底部半部在顶点触摸中间没有“间隙”（参见文本）。预计这两个特征都不同时发生，说明需要进一步了解材料的基本属性。

磁性拓扑绝缘体可能是制作额度的权利，但这一个不遵守规则。

搜索是为了发现新的物质状态，以及可能的编码，操纵和传输信息的新方法。一个目标是利用材料的量子属性进行常规电子产品超出可能的通信。拓扑绝缘体 - 主要作为绝缘体，但携带电流整个表面 - 提供一些诱人的可能性。

“探索拓扑材料的复杂性 - 以及其他有趣的紧急现象，如磁性和超导 - 是美国能源博克哈夫门国家实验室材料科学界的最令人兴奋和最具挑战性领域之一，”彼得约翰逊说是Brookhaven炼狱物理与材料科学司的高级物理学家。“我们正试图了解这些拓扑绝缘体，因为它们有很多潜在的应用，特别是在量子信息科学中，这是一个专案的重要新领域。”

“必须有一些异国情调的物理学！” - Brookhaven Lab Memicyist Peter Johnson

例如，具有这种分离绝缘体/导体个性的材料在其表面电子的能量签名中具有相反的“旋转”的分离。该量子属性可能在“闪光”设备中利用以进行编码和传输信息。更进一步，将这些电子与磁力耦合可以导致新颖和激动人心的现象。

“当你在表面附近有磁性时，您可以拥有这些其他异国情调的物质状态，从拓扑绝缘体与磁性的耦合出现，”与约翰逊一起使用的博士后的同伴丹尼沃说。“如果我们可以找到具有自己的内在磁性的拓扑绝缘体，我们应该能够在特定方向上有效地运输特定旋转的电子。”

在一项新的研究中，刚刚发布并强调作为编辑在物理评论信中的建议，尼沃拉，约翰逊，他们的裁员描述了一个这样的磁拓扑绝缘体的古怪行为。本文包括实验证据，即碲化物大部分锰铋（MnBi2Te4）中的内在磁体也延伸到其导电表面上的电子。以前的研究是不确定的是否存在表面磁性。

Brookhaven国家实验室炼狱物理与材料科学部门丹尼沃拉博士生博士生，是一篇关于磁拓扑绝缘体的古怪量子行为的新论文的主要作者。

但是当物理学家测量表面电子对磁性的敏感性时，只有两个观察到的电子国家中只有一个表现得如预期。另一个表面状态，预期具有更大的反应，作出了磁力的作用。

“磁力在表面上是不同的吗？或者有什么异国情调，我们只是不明白？“涅瓦拉说。

约翰逊倾向于异国情调的物理学解释：“DN做了非常谨慎的实验，它使他能够看看表面区域的活动，并在该表面上识别两种不同的电子状态，其中任何金属表面都可能存在于物质的拓扑性质上，”他说。“前者对磁性敏感，证明磁性确实存在于表面中。然而，另一个我们预计更敏感的人根本没有敏感性。所以，必须有一些异国情调的物理学！“

测量

科学家使用各种类型的光曝光光谱研究了这些材料，其中来自紫外线激光脉冲的光从材料表面敲出电子，并进入测量探测器。

“对于我们的实验之一，我们使用额外的红外激光脉冲来给样品一点踢，在进行测量之前将一些电子移动，”Nevola解释说。“它需要一些电子并将它们踢出[在能量中]变成导电电子。然后，非常短的时间尺寸 - 皮秒 - 你做了测量，看看电子国家如何改变回应。“

激发电子的能量水平的地图示出了两个不同的表面带，每个表面带各自显示单独的分支，在具有相对旋转的每个分支中的电子。预计每个表示两个电子国家之一的频带都会响应磁性的存在。

为了测试这些表面电子是否对磁性敏感，科学家将样品冷却至25个开尔文，允许其内在磁力出现。然而，只有在非拓扑电子状态下，他们观察了在频谱的预期部分中的“间隙”开放。

“在这种差距内，禁止来自现有的电子，因此它们从频谱的那部分的消失代表了差距的签名，”涅瓦拉说。

在常规表面状态下出现的间隙观察是磁敏度的明确证据 - 并且证据表明该特定材料的大部分中的磁性延伸到其表面电子。

然而，研究的“拓扑”电子国家的科学家们对磁性没有这种敏感性 - 没有间隙。

“抛出一点问号，”约翰逊说。

“这些是我们希望能够理解和工程师的属性，就像我们为各种技术工程师设计半导体的属性，”约翰逊继续。

例如，在闪光灯中，想法是使用不同的旋转状态来编码正半导体器件中的正极和负电荷的方式以编码“比特”-1s和0s的计算机代码。但是旋转编码量子位或QUBits，具有更多可能的状态 - 不仅仅是两个。这将极大地扩展到以新的和强大的方式编码信息的潜力。

“关于磁拓扑绝缘体的一切看起来像是对这种技术应用的权利，但这种特殊的材料并不完全遵守规则，”约翰逊说。

所以现在，随着团队继续搜索新的物质和进一步洞察量子世界的洞察力，有一种新的紧迫性来解释这种特殊的材料的古怪量子行为。

参考：D. Nevola，H.X，“Mnbi2te4”中的表面铁磁和表面铁磁和无间隙拓扑状态的共存。李，J.-Q.燕，r.g.摩尔，H.-N。 Lee，H. Miao和P.D. 2020年9月9月9日，9月9日，物理评论信.DOI：
10.1103 / physrevlett.125.117205

这项工作由DOE科学办公室资助。