由普林斯頓大學研究人員領導的一個國際團隊發(fā)現了一種新型的磁體，該磁體具有可擴展至室溫的新型量子效應。

研究人員在原始磁鐵中發(fā)現了量化的拓撲相。他們的發(fā)現提供了對已有30年歷史的電子自發(fā)量子化理論的深刻見解，并證明了一種發(fā)現新拓撲磁體的原理驗證方法。量子磁體是實現無損耗電流，高存儲容量和未來綠色技術的有前途的平臺。這項研究本周發(fā)表在《自然》雜志上。

這一發(fā)現的根源在于量子霍爾效應的工作原理-這種形式的拓撲效應是1985年諾貝爾物理學獎的主題。這是理論數學的第一個分支，即拓撲學，將首次從根本上開始改變我們描述和分類構成周圍世界的事物的方式。從那時起，在科學和工程領域就對拓撲階段進行了深入研究。已發(fā)現許多具有拓撲電子結構的新型量子材料，包括拓撲絕緣體和Weyl半金屬。但是，盡管一些最令人興奮的理論想法需要磁性，但所探索的大多數材料都是非磁性的，并且沒有量化，因此，許多誘人的可能性無法實現。

普林斯頓大學尤金·希金斯物理學教授M. Zahid Hasan表示：“發(fā)現具有定量行為的磁性拓撲材料是向前邁出的重要一步，可以為利用量子拓撲為未來的基礎物理學和下一代設備研究開辟新的視野。大學，領導研究團隊。

在迅速取得實驗發(fā)現的同時，理論物理學也擅長提出新的測量方法。F維·鄧肯·霍爾丹(F. Duncan Haldane)，托馬斯·D·瓊斯(Thomas D.Jones)數學物理學教授和謝爾曼·費爾柴爾德大學物理系教授于1988年提出了有關二維拓撲絕緣體的重要理論概念，后者于2016年被授予諾貝爾物理學獎。用于物質的拓撲相變和拓撲相的理論發(fā)現。隨后的理論發(fā)展表明，以特殊的原子排列(稱為kagome晶格)容納拓撲絕緣子的磁性可以容納一些最奇怪的量子效應。

自從他們發(fā)現了三維拓撲絕緣子的第一個例子以來，Hasan和他的團隊一直在尋找可能也在室溫下工作的拓撲磁性量子態(tài)長達十年之久。最近，他們發(fā)現了能夠在室溫下工作的，kagome晶格磁體中的Haldane猜想的一種材料解決方案，該磁體還表現出了非常需要的量化。“ kagome晶格可以被設計為具有相對論性能帶交叉和強電子-電子相互作用。兩者對于新型磁性都是必不可少的。因此，我們意識到，kagome磁體是一種有前途的系統，可在其中尋找拓撲磁體相，就像它們我們之前研究過的拓撲絕緣子。”

長期以來，這種現象的直接材料和實驗可視化一直難以捉摸。研究小組發(fā)現，大多數kagome磁體太難合成，對磁性的了解還不夠，無法觀察到拓撲或量化的決定性實驗特征，或者它們只能在非常低的溫度下工作。

哈桑說：“將合適的原子化學和磁性結構設計與第一性原理相結合，是使鄧肯·霍爾丹的投機預測在高溫環(huán)境下切實可行的關鍵步驟。” “有數百個kagome磁鐵，我們需要直覺，經驗，針對特定材料的計算以及大量的實驗工作，才能最終找到合適的材料進行深入探索。這使我們走了十年的旅程。”

通過對拓撲磁體的多個系列的多年深入研究(Nature 562，91(2018); Nature Phys 15，443(2019)，Phys。Rev.Lett.123，196604(2019)，Nature Commun.11，559( 2020年》，《物理學評論》第125卷，第046401頁(2020年))，研究小組逐漸意識到，由ter，錳和錫元素(TbMn6Sn6)制成的材料具有理想的晶體結構，具有化學原始，量子力學性質和空間分布隔離的kagome晶格層。此外，它獨特地具有強大的面外磁化強度。來自北京大學雙佳研究小組的合作者成功地在大型單晶水平上成功合成了這種理想的kagome磁體，Hasan小組開始進行系統的最新技術測量，以檢查晶體是否為拓撲結構，更重要的是，

普林斯頓大學的研究人員使用了一種稱為掃描隧道顯微鏡的先進技術，該技術能夠在亞原子級以亞毫伏能量分辨率探測材料的電子和自旋波函數。在這些微調的條件下，研究人員確定了晶體中的磁性kagome晶格原子，這一發(fā)現進一步得到了動量分辨率的最新角度分辨光發(fā)射光譜的證實。

該研究的合著者Songtian Sonia Zhang說：“首先令人驚訝的是，這種材料中的磁性kagome晶格在我們的掃描隧道顯微鏡中非常干凈。” 今年早些時候在普林斯頓。這種無缺陷的磁性kagome晶格的實驗可視化為探索其固有的拓撲量子性質提供了前所未有的機會。”

真正的神奇時刻是研究人員打開磁場的那一刻。他們發(fā)現，kagome晶格的電子狀態(tài)發(fā)生了劇烈的調制，從而以與Dirac拓撲一致的方式形成了量化的能級。通過逐漸將磁場提高到9特斯拉(比地球磁場高數十萬倍)，他們系統地繪制出了該磁體的完整量化信息。Nana Shumiya說：“找到具有量化圖的拓撲磁系統是非常罕見的-尚未找到。它需要幾乎無缺陷的磁材料設計，精細調整的理論和尖端的光譜測量” ，該研究的研究生和合著者。

團隊測量的量化圖提供了精確的信息，表明電子相與Haldane模型的變體匹配。它證實了晶體具有自旋極化的Dirac色散，具有大的Chern間隙，這是拓撲磁體理論所期望的。但是，仍然缺少一個難題。哈桑說：“如果這確實是一個切恩缺口，那么根據基本的拓撲體邊界原理，我們應該觀察晶體邊緣的手性(單向交通)狀態(tài)。”

當研究人員掃描磁體的邊界或邊緣時，最后一塊就位了。他們僅在Chern能隙內發(fā)現了邊緣狀態(tài)的清晰特征。沿著晶體的側面?zhèn)鞑ザ鴽]有明顯的散射(這表明其無耗散特性)，該狀態(tài)被確認為手性拓撲邊緣狀態(tài)。這種狀態(tài)的成像在以前的任何拓撲磁體研究中都是前所未有的。

研究人員進一步使用其他工具來檢查和確認他們對Chern缺口Dirac費米子的發(fā)現，包括異?；魻枠硕鹊碾娺w移測量，Dirac擴散在動量空間中的角度分辨光發(fā)射光譜以及拓撲原理的第一性原理計算在物質家族中。數據提供了完整的相互聯系的證據譜，所有證據都表明在這種kagome磁體中實現了量子限制的Chern相。研究生和該研究的第一作者，作家泰勒·科克倫說：“所有這些部分都組合在一起，成為了一本有關陳氏隙磁性狄拉克費米子物理學的教科書演示。”

現在，該小組的理論和實驗重點轉移到了數十種與TbMn6Sn6具有相似結構的化合物，這些化合物具有具有各種磁性結構的kagome晶格，每個晶格都有其各自的量子拓撲。高級博士后研究員，該研究的另一共同第一作者尹佳欣說：“我們對量子極限Chern相的實驗可視化證明了一種發(fā)現新的拓撲磁鐵的原理方法。”

哈桑說：“這就像在系外行星中發(fā)現水一樣，這為我們在普林斯頓實驗室進行了優(yōu)化的拓撲量子物質研究開辟了一個新領域。”