物理学家在三维磁性材料中发现电子的拓扑行为

普林斯顿大学的研究人员研究了室温下磁性材料中电子的行为，发现它们参与了“威尔环”集体量子行为。

普林斯顿大学M. Zahid Hasan研究团队合影。

据美国物理学网9月19日报道，美国普林斯顿大学的研究人员带领的国际研究团队发现，磁性材料在室温下使电子表现出了“违背直觉”的行为：它们是集体行动的。这种行为与无质量粒子和反粒子的共存方式相似，并形成了奇特的环状结构。

电子的异常共存行为涉及拓扑学。拓扑学是研究晶体中电子行为的重要数学分支学科。拓扑材料包含光或光子形式的无质量粒子。在拓扑晶体中，电子通常表现得像“减速光”，但与光不同的是，它携带着电荷。磁性材料中很少能观察到拓扑结构，而在室温下发现磁性拓扑材料更是巨大的突破。普林斯顿大学物理学教授M. Zahid Hasan说：“在此之前，涉及磁体三维拓扑特性的观点还没有定论。新发现为我们在微观层面上解释这类现象提供了直接和决定性的证据。”

Hasan教授和他的团队花了十余年时间研究候选材料，以寻找拓扑磁量子态。 虽然地球上存在着数千种磁性材料，但绝大多数材料都不具备拓扑性质。磁性材料的结构过于复杂，无法从理论上建立模型，因此研究人员也无法观察到拓扑结构的决定性实验特征。幸运的是，Hasan教授团队找到了转折点。Hasan实验室博士后研究员、论文作者Ilya Belopolski说：“在被许多磁性材料打击之后，我们在测试一组室温磁体时意外发现了无质量电子的特征。这使我们走上了发现首个三维拓扑磁相之路。”

这种奇异的磁性晶体由钴、锰和镓构成，它们以有序的、重复性三维图案排列。为了研究材料的拓扑状态，研究人员使用了角分辨光发射光谱技术（简称ARPS）。高强度的光照射到样品上，迫使电子从表面发射出来，研究人员通过测量这些电子，可以获取其在晶体内的行为方式等信息。普林斯顿大学访问学者Daniel Sanchez说：“在ARPS的帮助下，我们在磁体中观测到了威尔费米子的存在。”当研究人员深入研究威尔费米子时，他们发现磁体上似乎有无数不同的无质量电子，它们以环形状态存在，其中部分电子还表现出与反粒子类似的性质。这种电子集体量子行为的全称为“磁拓扑威尔费米子环”。Hasan实验室博士后研究员Guoqing Chang说：“这是一种非常新奇的体系。它甚至与粒子物理学家研究亚原子粒子时的经验不太契合。”

三维拓扑磁体只有在表面电子波函数呈鼓形时才会表现出最奇异的特征。这构成了拓扑磁体的新特征。Hasan等在他们的研究中观察到了鼓形电子态，这为证明它是一种新的物质状态提供了决定性证据。麻省理工学院物理学教授Patrick Lee没有参与这项研究，他对研究的重要性发表了评论。他说：“Hasan团队一直站在发现拓扑新材料的前沿。他们的研究为量子磁体开辟了新思路。”

此外，Hasan团队还研究了电磁场对拓扑磁体的影响。他们在室温下观察到了一种奇特的电磁反应。Hasan补充说：“科学家们找到了很多拓扑材料，但它们很难显示出拓扑解耦股产生的清晰电磁响应。我们解决了这个问题。由此，人类或许可以进入全新的拓扑磁体领域。”

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：张梦

期刊来源：《科学》、《自然》等

期刊编号：0036-8075、0028-0836等

原文链接：

https://phys.org/news/2019-09-physicists-topological-behavior-electrons-d.html

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