教育新闻网由普林斯顿大学研究人员领导的一个国际团队发现了一种新型的磁体，该磁体具有可扩展至室温的新型量子效应。
研究人员在原始磁铁中发现了量化的拓扑相。他们的发现提供了对已有30年历史的电子自发量子化理论的深刻见解，并证明了一种发现新拓扑磁体的原理验证方法。量子磁体是实现无损耗电流，高存储容量和未来绿色技术的有前途的平台。这项研究本周发表在《自然》杂志上。
这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理-这种形式的拓扑效应是1985年诺贝尔物理学奖的主题。这是理论数学的第一个分支，即拓扑学，将首次从根本上开始改变我们描述和分类构成周围世界的事物的方式。从那时起，在科学和工程领域就对拓扑阶段进行了深入研究。已发现许多具有拓扑电子结构的新型量子材料，包括拓扑绝缘体和Weyl半金属。但是，尽管一些最令人兴奋的理论想法需要磁性，但所探索的大多数材料都是非磁性的，并且没有量化，因此，许多诱人的可能性无法实现。
普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M. Zahid Hasan表示：“发现具有定量行为的磁性拓扑材料是向前迈出的重要一步，可以为利用量子拓扑为未来的基础物理学和下一代设备研究开辟新的视野。大学，领导研究团队。
在迅速取得实验发现的同时，理论物理学也擅长提出新的测量方法。F维·邓肯·霍尔丹(F. Duncan Haldane)，托马斯·D·琼斯(Thomas D.Jones)数学物理学教授和谢尔曼·费尔柴尔德大学物理系教授于1988年提出了有关二维拓扑绝缘体的重要理论概念，后者于2016年被授予诺贝尔物理学奖。用于物质的拓扑相变和拓扑相的理论发现。随后的理论发展表明，以特殊的原子排列(称为kagome晶格)容纳拓扑绝缘子的磁性可以容纳一些最奇怪的量子效应。
自从他们发现了三维拓扑绝缘子的第一个例子以来，Hasan和他的团队一直在寻找可能也在室温下工作的拓扑磁性量子态长达十年之久。最近，他们发现了能够在室温下工作的，kagome晶格磁体中的Haldane猜想的一种材料解决方案，该磁体还表现出了非常需要的量化。“ kagome晶格可以被设计为具有相对论性能带交叉和强电子-电子相互作用。两者对于新型磁性都是必不可少的。因此，我们意识到，kagome磁体是一种有前途的系统，可在其中寻找拓扑磁体相，就像它们我们之前研究过的拓扑绝缘子。”
长期以来，这种现象的直接材料和实验可视化一直难以捉摸。研究小组发现，大多数kagome磁体太难合成，对磁性的了解还不够，无法观察到拓扑或量化的决定性实验特征，或者它们只能在非常低的温度下工作。
哈桑说：“将合适的原子化学和磁性结构设计与第一性原理相结合，是使邓肯·霍尔丹的投机预测在高温环境下切实可行的关键步骤。” “有数百个kagome磁铁，我们需要直觉，经验，针对特定材料的计算以及大量的实验工作，才能最终找到合适的材料进行深入探索。这使我们走了十年的旅程。”
通过对拓扑磁体的多个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》，《物理学评论》第125卷，第046401页(2020年))，研究小组逐渐意识到，由ter，锰和锡元素(TbMn6Sn6)制成的材料具有理想的晶体结构，具有化学原始，量子力学性质和空间分布隔离的kagome晶格层。此外，它独特地具有强大的面外磁化强度。来自北京大学双佳研究小组的合作者成功地在大型单晶水平上成功合成了这种理想的kagome磁体，Hasan小组开始进行系统的最新技术测量，以检查晶体是否为拓扑结构，更重要的是，
普林斯顿大学的研究人员使用了一种称为扫描隧道显微镜的先进技术，该技术能够在亚原子级以亚毫伏能量分辨率探测材料的电子和自旋波函数。在这些微调的条件下，研究人员确定了晶体中的磁性kagome晶格原子，这一发现进一步得到了动量分辨率的最新角度分辨光发射光谱的证实。
该研究的合著者Songtian Sonia Zhang说：“首先令人惊讶的是，这种材料中的磁性kagome晶格在我们的扫描隧道显微镜中非常干净。” 今年早些时候在普林斯顿。这种无缺陷的磁性kagome晶格的实验可视化为探索其固有的拓扑量子性质提供了前所未有的机会。”
真正的神奇时刻是研究人员打开磁场的那一刻。他们发现，kagome晶格的电子状态发生了剧烈的调制，从而以与Dirac拓扑一致的方式形成了量化的能级。通过逐渐将磁场提高到9特斯拉(比地球磁场高数十万倍)，他们系统地绘制出了该磁体的完整量化信息。Nana Shumiya说：“找到具有量化图的拓扑磁系统是非常罕见的-尚未找到。它需要几乎无缺陷的磁材料设计，精细调整的理论和尖端的光谱测量” ，该研究的研究生和合著者。
团队测量的量化图提供了精确的信息，表明电子相与Haldane模型的变体匹配。它证实了晶体具有自旋极化的Dirac色散，具有大的Chern间隙，这是拓扑磁体理论所期望的。但是，仍然缺少一个难题。哈桑说：“如果这确实是一个切恩缺口，那么根据基本的拓扑体边界原理，我们应该观察晶体边缘的手性(单向交通)状态。”
当研究人员扫描磁体的边界或边缘时，最后一块就位了。他们仅在Chern能隙内发现了边缘状态的清晰特征。沿着晶体的侧面传播而没有明显的散射(这表明其无耗散特性)，该状态被确认为手性拓扑边缘状态。这种状态的成像在以前的任何拓扑磁体研究中都是前所未有的。
研究人员进一步使用其他工具来检查和确认他们对Chern缺口Dirac费米子的发现，包括异常霍尔标度的电迁移测量，Dirac扩散在动量空间中的角度分辨光发射光谱以及拓扑原理的第一性原理计算在物质家族中。数据提供了完整的相互联系的证据谱，所有证据都表明在这种kagome磁体中实现了量子限制的Chern相。研究生和该研究的第一作者，作家泰勒·科克伦说：“所有这些部分都组合在一起，成为了一本有关陈氏隙磁性狄拉克费米子物理学的教科书演示。”
现在，该小组的理论和实验重点转移到了数十种与TbMn6Sn6具有相似结构的化合物，这些化合物具有具有各种磁性结构的kagome晶格，每个晶格都有其各自的量子拓扑。高级博士后研究员，该研究的另一共同第一作者尹佳欣说：“我们对量子极限Chern相的实验可视化证明了一种发现新的拓扑磁铁的原理方法。”
哈桑说：“这就像在系外行星中发现水一样，这为我们在普林斯顿实验室进行了优化的拓扑量子物质研究开辟了一个新领域。”
