物理学家发现的新量子电子材料

描绘kagome金属的例证 - 由铁和锡原子的层制成的导电晶体，其中每个原子层布置在Kagome格子的重复图案中。图像：Felice Frankel;插图叠加：切尔西特纳

具有类似日本篮网织物图案的原子结构，“kagome金属”展现出异国情调的量子行为。

作为Kagome Pattern的日本篮网图案的主题，几十年来了全神贯注的物理学家。kagome篮通常由竹子的条带制成，以编织成高度对称的交错，角分配三角形的图案。

如果可以使金属或其他导电材料类似于原子尺度以类似的三角形图案布置的纯粹原子，则应该在理论上表现出异国情调的电子特性。

在今天发表的论文中，来自麻省理工学院，哈佛大学和劳伦斯伯克利国家实验室报告的物理学家，他们首次制作了一款kagome金属 - 一种电导晶体，由铁和锡原子层制成，每个原子分层排列在Kagome格子的重复模式中。

当它们流过晶体内的Kagome层的电流时，研究人员观察到原子的三角形布置在通过电流中诱导的奇怪量子状的行为。而不是直接通过格子，而是在晶格内弯曲的电子。

这种行为是所谓的量子霍尔效应的三维表窦，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，圆形的路径和沿边缘的流动没有失去能量。

“通过构建固有的铁网络，这是固有的磁性，这种异国情调的行为持续到室温和更高，”麻省理工学院的物理学助理教授Joseph Checkelsky说。“晶体中的电荷不仅感受来自这些原子的磁场，而且感受到这些原子的磁场，而且还具有来自晶格的纯量子机械磁力。这可能导致完美的传导，类似于外部材料的超导性。“

为了探索这些发现，团队测量了晶体内的能谱，使用Heinrich Hertz首次发现的效果的现代版本，并由Einstein解释为光电效果。

“基本上，电子首先从材料表面喷射，然后作为起飞角度和动能的函数检测，”麻省理工学院的物理助理教授Riccardo Comin说。“所得到的图像是电子电平的非常直接的电子水平的快照，在这种情况下，他们揭示了几乎无麻的'Dirac'颗粒的产生，电荷的光子的光子，光的Quanta。”

光谱揭示了电子以暗示最初的无阻塞电子获得相对论质量的方式流过晶体，类似于称为巨大的Dirac颗粒的颗粒。理论上，这是通过晶格的构成铁和锡原子的存在来解释的。前者是磁性的，产生“手性”或手性。后者具有较重的核电，生产大型局部电场。作为外部电流的流动，它感应为锡的领域不作为电场，而是作为磁场，并且弯曲。

研究团队由Checkelsky和Comin领导，以及Linda Ye和Min Gu Kang的研究生和Min Gu Kang，Biedenharn物理学教授和Postdoc Junwei Liu合作。该团队还包括Christina Wicker '17，MIT的Mitthito Suzuki，Felix Von Cube和Harvard的大卫·贝尔·克里斯·乔斯维克，Aaron Bostwick和Lawrence Berkeley国家实验室的Eli Rotenberg。

“不需要炼金术”

物理学家几十年来看，电子材料可以用其固有的磁性和格子几何来支持异国量子厅行为。直到几年前，这不是研究人员在实现这些材料方面取得了进展。

“社区意识到，为什么不使系统摆脱磁力，然后系统的固有磁性可能会推动这种行为，”Checkelsky说，他当时正在担任东京大学的研究员。

这消除了对实验室产生的田地的需求，通常是占地的磁场强度100万次，所以需要观察这种行为。

“几个研究小组能够以这种方式诱导量子霍尔效应，但仍然在超低的温度上以上绝对零的几度较高 - 灰火磁性成的结果，其中它没有自然发生的材料，”Checkelsky说。

在麻省理工学院，Checkelsky已经寻找用“Instrinsic磁力”推动这种行为的方法。由Evelyn Tang '15的博士工作和小刚文教授的主要洞察力，是在Kagome格子中寻求这种行为。为此，首先作者叶接地熨斗和锡，然后将所得粉末加热在炉中，在约750摄氏度下生产晶体 - 铁和锡原子较宁可以kagome的图案布置的温度。然后，她在冰浴中浸没在冰浴中，使晶格图案能够在室温下保持稳定。

“Kagome Pattern有大空间，可能易于用手编织，但在晶体固体中通常不稳定，这些固体更喜欢最好的原子包装，”叶说。“这里的诀窍是用在高温下至少稳定的结构中用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，而是材料科学和耐心。“

弯曲和跳跃零能量损失

一旦研究人员长出了几个晶体样品，每个大约一毫米宽，它们将样品移到哈佛达的合作者中，使用透射电子显微镜在每个晶体内成像的疾病原子层。所得到的图像显示，在每层内的铁和锡原子的布置类似于Kagome格子的三角形图案。具体地，将铁原子定位在每个三角形的拐角处，而单个锡原子坐在互通三角形之间产生的较大的六边形空间内。

然后，YE通过晶体层耗尽电流，并通过它们产生的电压监测流量。她发现，尽管晶体的三维性质，但是似乎二维的方式偏转了电荷。最终证据来自Co-First作者Kang的光电子实验，遵循LBNL团队的音乐会，能够表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，我们注意到了一些不寻常的东西，”康补充道。“这种磁性材料中的电子表现为巨大的DIRAC颗粒，这些颗粒很久以前预测，但在这些系统之前从未见过。”

“这种材料与交织磁性和拓扑的独特能力表明，他们可能会选择其他紧急现象，”Comin说。“我们的下一个目标是检测和操纵边缘状态，这些边缘是这些新发现的量子电子阶段的拓扑性质的结果。”

寻找，该团队现在正在调查稳定其他更高度二维的Kagome格子结构的方法。这种材料，如果可以合成，可以使用不仅可以探索具有零能量损失的设备，例如折射电源线，而且还用于朝向量子计算的应用。

“对于Quantum信息科学的新方向，在具有耗散和手平的途径的新型量子电路上存在日益增长的兴趣，”Checkelsky说。“这些kagome金属提供了一种新的材料设计途径，以实现量子电路的这种新平台。”

该研究部分受到戈登和贝蒂摩尔基金会和国家科学基金会的支持。