物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新的量子電子材料

幾十年來，一種被稱為kagome模式的編織物的主題已經(jīng)成為專注的物理學(xué)家。Kagome籃子通常由竹條編織成高度對稱的交錯(cuò)，角落共享三角形圖案。

如果可以使金屬或其他導(dǎo)電材料在原子尺度上類似于這種kagome圖案，其中各個(gè)原子以相似的三角形圖案排列，理論上它應(yīng)該具有奇特的電子特性。

在自然界發(fā)表的一篇論文中 ，來自麻省理工學(xué)院，哈佛大學(xué)和勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家報(bào)告說，他們首次生產(chǎn)了一種kagome金屬 - 一種由鐵和錫原子層組成的導(dǎo)電晶體，每個(gè)原子層以kagome格子的重復(fù)圖案排列。

當(dāng)他們在晶體內(nèi)的kagome層上流過電流時(shí)，研究人員觀察到原子的三角形排列在通過電流中引起奇怪的，類似量子的行為。電子不是直接流過晶格，而是在晶格內(nèi)轉(zhuǎn)向或彎曲。

這種行為是所謂的量子霍爾效應(yīng)的三維表親，其中流過二維材料的電子將表現(xiàn)出“手性拓?fù)錉顟B(tài)”，其中它們彎曲成緊密的圓形路徑并沿著邊緣流動(dòng)不失能量。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Joseph Checkelsky說：“通過構(gòu)建具有固有磁性的kagome鐵網(wǎng)絡(luò)，這種異乎尋常的行為持續(xù)到室溫和更高溫度。” “晶體中的電荷不僅感受到來自這些原子的磁場，還感受到來自晶格的純量子力學(xué)磁力。這可能導(dǎo)致在未來幾代材料中完全傳導(dǎo)，類似于超導(dǎo)性。“

為了探索這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)使用Heinrich Hertz首先發(fā)現(xiàn)并由愛因斯坦解釋的現(xiàn)代版本的效應(yīng)來測量晶體內(nèi)的能譜，稱為光電效應(yīng)。

“從根本上說，電子首先從材料表面射出，然后被檢測為起飛角和動(dòng)能的函數(shù)，”麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授Riccardo Comin說。“由此產(chǎn)生的圖像是電子占據(jù)的電子水平的非常直接的快照，在這種情況下，他們揭示了幾乎無質(zhì)量的'狄拉克'粒子的產(chǎn)生，光子的電荷版本，即光的量子。”

光譜顯示電子流過晶體的方式表明原始無質(zhì)量電子獲得了相對論質(zhì)量，類似于稱為大質(zhì)量Dirac費(fèi)米子的粒子。從理論上講，這可以通過晶格的成分鐵和錫原子的存在來解釋。前者具有磁性，可產(chǎn)生“手性”或手性。后者具有較重的核電荷，產(chǎn)生大的局部電場。當(dāng)外部電流流過時(shí)，它感知錫場不是作為電場而是作為磁場而彎曲。

研究小組由Checkelsky和Comin以及研究生Linda Ye和Min Gu Kang與Biedenharn物理學(xué)副教授梁福和博士后劉俊偉合作領(lǐng)導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)還包括Christina Wicker '17，麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家Takehito Suzuki，哈佛大學(xué)的Felix von Cube和David Bell，以及Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室的Chris Jozwiak，Aaron Bostwick和Eli Rotenberg。

“不需要煉金術(shù)”

幾十年來，物理學(xué)家們已經(jīng)理論化了電子材料可以支持具有固有磁性特征和晶格幾何形狀的奇異量子霍爾行為。直到幾年前，研究人員才在實(shí)現(xiàn)這些材料方面取得了進(jìn)展。

“社區(qū)意識到，為什么不讓系統(tǒng)擺脫磁性，然后系統(tǒng)固有的磁性可能會推動(dòng)這種行為，”當(dāng)時(shí)正在東京大學(xué)擔(dān)任研究員的Checkelsky說。

這消除了對觀測到這種行為所需的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)場的需求，通常是地球磁場強(qiáng)度的100萬倍。

“幾個(gè)研究小組能夠以這種方式誘導(dǎo)量子霍爾效應(yīng)，但仍然處于超過絕對零度幾度的超冷溫度 - 這是將磁性物質(zhì)磁化成不會自然發(fā)生的材料的結(jié)果，”Checkelsky說。

在麻省理工學(xué)院，Checkelsky已經(jīng)找到了用“內(nèi)在磁性”來推動(dòng)這種行為的方法。由Evelyn Tang博士15和溫小剛教授的博士工作推動(dòng)的關(guān)鍵見解是在kagome格子中尋求這種行為。 。為此，第一作者Ye將鐵和錫一起研磨，然后在爐中加熱所得粉末，在約750攝氏度產(chǎn)生晶體 - 鐵和錫原子更喜歡以類似kagome的模式排列的溫度。然后，她將晶體浸入冰浴中，使晶格圖案在室溫下保持穩(wěn)定。

“kagome圖案有很大的空白空間，可能很容易用手編織，但在結(jié)晶固體中往往不穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈兏矚g原子的最佳堆積，”Ye說。“這里的技巧是用一種在高溫下至少穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中的第二種原子填充這些空隙。實(shí)現(xiàn)這些量子材料不需要煉金術(shù)，而是需要材料科學(xué)和耐心。“

彎曲和跳過零能量損失

一旦研究人員生成了幾個(gè)大約1毫米寬的晶體樣本，他們就會將樣品交給哈佛大學(xué)的合作者，他們使用透射電子顯微鏡對每個(gè)晶體中的各個(gè)原子層進(jìn)行成像。得到的圖像顯示每層內(nèi)的鐵和錫原子的排列類似于kagome晶格的三角形圖案。具體而言，鐵原子位于每個(gè)三角形的拐角處，而單個(gè)錫原子位于交錯(cuò)三角形之間產(chǎn)生的較大六邊形空間內(nèi)。

然后，葉片通過晶體層流過電流，并通過它們產(chǎn)生的電壓監(jiān)測它們的流動(dòng)。盡管晶體具有三維特性，但她發(fā)現(xiàn)電荷以一種看似二維的方式偏轉(zhuǎn)。最明確的證據(jù)來自共同第一作者Kang的光電子實(shí)驗(yàn)，他與LBNL團(tuán)隊(duì)合作，能夠證明電子光譜對應(yīng)于有效的二維電子。

“當(dāng)我們仔細(xì)觀察電子樂隊(duì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一些與眾不同的東西，”康補(bǔ)充道。“這種磁性材料中的電子表現(xiàn)為大量的狄拉克粒子，這是很久以前就已經(jīng)預(yù)測過的，但在這些系統(tǒng)中從未見過。”

“這種材料交織磁性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特能力表明它們可能會產(chǎn)生其他緊急現(xiàn)象，”Comin說。“我們的下一個(gè)目標(biāo)是檢測和操縱邊緣狀態(tài)，這是這些新發(fā)現(xiàn)的量子電子相的拓?fù)湫再|(zhì)的結(jié)果。”

展望未來，該團(tuán)隊(duì)正在研究穩(wěn)定其他更高維度的二維kagome晶格結(jié)構(gòu)的方法。這些材料，如果它們可以被合成，不僅可以用于探索具有零能量損失的裝置，例如無耗散的電力線，而且還可以用于量子計(jì)算的應(yīng)用。

“對于量子信息科學(xué)的新方向，人們越來越關(guān)注具有無耗散和手性路徑的新型量子電路，”Checkelsky說。“這些kagome金屬為實(shí)現(xiàn)這種量子電路新平臺提供了新的材料設(shè)計(jì)途徑。”