一种表现出新颖量子效应的新型磁体

由普林斯顿大学的研究人员领导的一个国际团队发现了一类新的磁铁，这种磁铁表现出延伸到室温的新颖量子效应。研究人员在原始磁铁中发现了一个量子化的拓扑相。他们的发现为30年前关于电子如何自发量子化的理论提供了洞察力，并展示了一种发现新拓扑磁铁的原理证明方法。量子磁体是无耗散电流、高存储容量和未来绿色技术的有前途的平台。这项研究发表在本周的“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，量子霍尔效应是一种拓扑效应，曾是1985年诺贝尔物理学奖的主题。这是理论数学的一个分支，称为拓扑学，第一次开始从根本上改变我们对构成我们周围世界的物质的描述和分类。自此，拓扑位相在科学和工程界得到了广泛的研究。许多新的具有拓扑电子结构的量子材料被发现，包括拓扑绝缘体和Weyl半金属。然而，虽然一些最激动人心的理论想法需要，但所探索的大多数材料都是非磁性的，没有显示出量子化，留下了许多诱人的可能性没有实现。

领导该研究小组的普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授M.Zahid Hasan说，具有量子化行为的磁性拓扑材料的发现是向前迈出的重要一步，可以为未来的基础物理和下一代设备研究打开利用量子拓扑的新视野。

在实验发现迅速取得的同时，理论物理学在发展导致新测量的想法方面出类拔萃。关于二维拓扑绝缘体的重要理论概念是由托马斯·D·琼斯(Thomas D.Jones)数学物理教授F·邓肯·霍尔丹(F.Duncan Haldane)和普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授F·邓肯·霍尔丹(F.Duncan Haldane)于1988年提出的，他因在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现而于2016年获得诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明，在一种特殊的原子排列(称为a)中，拓扑绝缘体承载的磁性可以承载一些最奇怪的量子效应。

哈桑和他的团队自从发现了第一批三维拓扑绝缘体后，就一直在寻找一种可以在室温下运行的拓扑磁量子态，这已经持续了十年之久。最近，他们在一种能够在室温下工作的Kagome晶格磁体中找到了一种材料解决霍尔丹猜想的方法，这种磁体也表现出了非常理想的量子化。Kagome晶格可以设计成具有相对论能带交叉和强的电子-电子相互作用。两者都是新奇磁性的必备元素。因此，我们意识到Kagome磁体是一个很有前途的系统，可以用来寻找拓扑磁相，因为它们就像我们之前研究的拓扑绝缘体，哈桑说。

长期以来，对这一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，磁性没有被充分理解，没有观察到拓扑或量子化的决定性实验签名，或者它们只能在非常低的温度下工作。

哈桑说，合适的原子化学和磁性结构设计与第一原理理论相结合，是使邓肯·霍尔丹的推测预测在高温环境中成为现实的关键一步。有成百上千的Kagome磁铁，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和紧张的实验努力，才能最终找到合适的材料进行深入探索。这让我们踏上了一段长达十年的旅程。

经过几年对拓扑磁铁几个家族的深入研究(Nature 562，91(2018)；Nature Phys15,443(2019)，Phys.。莱特牧师。123,196604(2019年)，自然公社。11,559(2020)，Phys.。莱特牧师。(第125,046401(2020年))之后，研究小组逐渐意识到，一种由铽、锰和锡元素制成的材料(TbMn6Sn6)具有理想的晶体结构，具有化学上的原始、量子力学特性和空间上分离的Kagome晶格层。此外，它独特的特点是平面外磁化强度很强。北京大学双佳团队的合作者成功地在大单晶水平上合成了这种理想的Kagome磁体，哈桑的团队开始进行系统的最先进的测量，以检查晶体是否具有拓扑结构，更重要的是，是否具有所需的奇异量子磁态。

普林斯顿大学的研究小组使用了一种名为扫描隧道显微镜的先进技术，这种技术能够探测亚原子级别的材料的电子和自旋波函数，能量分辨率为亚毫伏。在这些微调条件下，研究人员确定了晶体中的磁性Kagome晶格原子，这一发现得到了具有动量分辨率的最先进的角度分辨光电子能谱的进一步证实。

该研究的合著者之一、今年早些时候在普林斯顿获得博士学位的张松天(Songtian Sonia Zhang)说，第一个惊喜是，这种材料中的Kagome磁性晶格在扫描隧道显微镜下超级干净。这种无缺陷磁性Kagome晶格的实验可视化为探索其固有的拓扑量子特性提供了前所未有的机会。

真正神奇的时刻是当研究人员打开磁场的时候。他们发现，Kagome晶格的电子态发生了戏剧性的调制，以一种与狄拉克拓扑一致的方式形成了量子化的能级。通过逐渐将磁场提高到比地球磁场高几十万倍的9特斯拉，他们系统地绘制出了这块磁铁的完全量子化图。找到一个以量子化图为特征的拓扑磁性系统是极其罕见的--目前还没有发现这样的系统。这项研究的合著者、研究生娜娜·舒米亚(Nana Shumiya)说，这需要近乎无缺陷的磁性材料设计、微调理论和尖端的光谱测量。

研究小组测量的量子化图提供了精确的信息，揭示了电子相位与霍尔丹模型的一个变体相匹配。证实了该晶体具有自旋极化的狄拉克色散，具有较大的陈能隙，正如拓扑磁体理论所预期的那样。然而，仍有一块拼图不见了。哈桑说，如果这真的是一个陈隙，那么基于基本的拓扑体边界原理，我们应该观察晶体边缘的手征(单向交通)状态。

当研究人员扫描磁铁的边界或边缘时，最后一块就到位了。他们发现，只有在陈的能隙内，才有一个清晰的边缘状态的信号。沿晶体一侧传播，没有明显的散射(这揭示了它的无耗散特性)，确认该状态为手性拓扑边缘态。这种状态的成像在以前任何拓扑磁铁的研究中都是史无前例的。

研究人员进一步使用其他工具检查和确认了他们对陈隙狄拉克费米子的发现，包括反常霍尔标度的电输运测量，动量空间狄拉克色散的角度分辨光电子能谱，以及材料族拓扑顺序的第一性原理计算。这些数据提供了一系列相互关联的完整证据，所有这些证据都指向在这个Kagome磁体中实现了量子极限的陈相。这项研究的第一作者之一、研究生泰勒·A·科克伦(Tyler A.Cochran)说，所有这些碎片都拼凑在一起，形成了一本教科书上关于陈隙磁性狄拉克费米子物理学的演示。

现在，该小组的理论和实验重点正在转移到数十种与TbMn6Sn6结构相似的化合物上，这些化合物拥有各种磁结构的Kagome晶格，每种都有自己的量子拓扑。我们对量子极限陈相的实验可视化展示了一种发现新拓扑磁铁的原则证明方法，资深博士后研究员、该研究的另一位共同第一作者尹佳欣说。

哈桑说，这就像在系外行星上发现水一样，它开辟了拓扑量子物质研究的新前沿，我们在普林斯顿的实验室已经为之进行了优化。更多信息：尹佳欣等，TbMn6Sn6中的量子极限陈拓扑磁性，自然(2020)。电话：10.1038/s41586-0202482-7