普林斯顿大学 箭头代表从戈薇晶格指向上方的电子自旋
手性由逆时针的火圈表示，它代表磁体边缘传播的电子/电流
这两个锥表明，磁体的主体包含狄拉克费米子(线性或锥形色散带)，具有能隙(陈氏隙)，使其拓扑
信用:M
普林斯顿大学扎希德·哈桑小组 普林斯顿大学的研究人员领导的一个国际团队发现了一种新型磁体，这种磁体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位
他们的发现为电子如何自发量子化的30年理论提供了见解，并展示了发现新拓扑磁体的原理证明方法
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——一种拓扑效应，是1985年诺贝尔物理学奖的主题
这是理论数学的一个分支，叫做拓扑学，第一次开始从根本上改变我们描述和分类构成我们周围世界的物质的方式
从那以后，拓扑相在科学和工程中得到了深入的研究
许多新的具有拓扑电子结构的量子材料已经被发现，包括拓扑绝缘体和维勒半金属
然而，虽然一些最令人兴奋的理论想法需要磁性，但大多数探索的材料都是非磁性的，没有量子化，许多诱人的可能性没有实现
“一种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，它可以为未来的基础物理和下一代器件研究打开利用量子拓扑的新局面，”M说
扎希德·哈桑，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授，领导了这个研究小组
当实验发现正在迅速取得的时候，理论物理学擅长于发展导致新测量的思想
1988年F .提出了二维拓扑绝缘体的重要理论概念
邓肯·霍尔丹，托马斯·D
琼斯数学物理学教授和普林斯顿大学谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授，因在拓扑相变和物质拓扑相方面的理论发现而获得2016年诺贝尔物理学奖
随后的理论发展表明，拓扑绝缘体在一种被称为戈薇晶格的特殊原子排列中承载磁性，可以承载一些最奇异的量子效应
哈桑和他的团队已经对拓扑磁性量子态进行了长达十年的研究，自从他们的圆盘覆盖了三维拓扑绝缘体的第一个例子以来，拓扑磁性量子态也可以在室温下工作
最近，他们在一种能够在室温下工作的戈薇晶格磁体中找到了霍尔丹猜想的材料解决方案，这种磁体也表现出了非常理想的量子化
“戈薇晶格可以设计成具有相对论性能带交叉和强电子-电子相互作用
这两者对于新颖的磁性都是必不可少的
因此，我们意识到戈薇磁体是一个很有前途的系统，在这个系统中可以搜索拓扑磁体相，因为它们就像我们以前研究的拓扑绝缘体一样，”哈桑说
长期以来，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，大多数戈薇磁体太难合成，磁性没有得到充分理解，没有观察到拓扑或量子化的决定性实验信号，或者它们只能在非常低的温度下工作
哈桑说:“一个合适的原子化学和磁结构设计，加上第一原理理论，是让邓肯·霍尔丹的推测在高温环境下变得现实的关键一步。”
“有数百种戈薇磁体，我们需要直觉、经验、特定材料的计算和密集的实验努力，以最终找到适合深入探索的材料
这让我们踏上了长达十年的旅程
" 箭头代表从戈薇晶格指向上方的电子自旋
手性由逆时针的火圈表示，它代表磁体边缘传播的电子/电流
这两个锥表明，磁体的主体包含狄拉克费米子(线性或锥形色散带)，具有能隙(陈氏隙)，使其拓扑
信用:M
普林斯顿大学扎希德·哈桑小组 通过几年对几个拓扑磁体家族的紧张研究(Nature 562，91(2018)；自然物理15，443 (2019)，物理
每分钟转速
拉脱维亚人
123，196604 (2019)，自然社区
11，559 (2020)，物理
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125，046401 (2020))中，研究小组逐渐认识到由元素铽、锰和锡(TbMn6Sn6)制成的材料具有理想的晶体结构，该晶体结构具有原始的化学性质、量子力学性质和空间分离的戈薇晶格层
此外，它还具有独特的强面外磁化特性
这种理想的戈薇磁体是由北京大学双家团队的合作者在大单晶水平上成功合成的，哈桑的团队开始进行系统的最先进的测量，以检查晶体是否是拓扑的，更重要的是，是否具有所需的奇异量子磁性状态
普林斯顿的研究小组使用了一种被称为扫描隧道显微镜的先进技术，这种技术能够以亚毫伏的能量分辨率在亚原子尺度上探测材料的电子和自旋波函数
在这些微调条件下，研究人员确定了晶体中的磁性戈薇晶格原子，这一发现得到了具有动量分辨率的最新角度分辨光电发射光谱的进一步证实
“第一个惊喜是，这种材料中的磁性戈薇晶格在我们的扫描隧道显微镜中是超级干净的，”该研究的合著者索尼娅·张说，她获得了博士学位
D
今年早些时候在普林斯顿
“这种无缺陷磁性戈薇晶格的实验可视化为探索其内在拓扑量子特性提供了前所未有的机会
" 真正神奇的时刻是研究人员打开磁场的时候
他们发现戈薇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9特斯拉，这比地球磁场高几十万倍，他们系统地绘制出了这种磁体的完全量子化
“找到一个以量子化图为特征的拓扑磁系统是极其罕见的——目前还没有发现
它需要几乎无缺陷的磁性材料设计、精细的理论和尖端的光谱测量，”该研究的合著者、研究生娜娜·舒米娅说
研究小组测量的量化图提供了精确的信息，表明电子相位与霍尔丹模型的一个变体相匹配
它证实了晶体具有自旋极化的狄拉克色散和大的陈氏间隙，正如拓扑磁体理论所预期的那样
然而，拼图的一块仍然不见了
哈桑说:“如果这真的是一个陈氏间隙，那么基于基本的拓扑体边界原理，我们应该在晶体的边缘观察到手性(单向交通)态。”
当研究人员扫描磁体的边界或边缘时，最后一块就就位了
他们只在陈氏能隙中发现了边缘态的清晰信号
沿着晶体的侧面传播，没有明显的散射(这揭示了它的无耗散特性)，该状态被确定为手性拓扑边状态
这种状态的成像在以前任何拓扑磁体的研究中都是前所未有的
研究人员进一步使用了其他工具来检查和确认他们对陈氏带隙狄拉克费米子的发现，包括反常霍尔标度的电输运测量、动量空间中狄拉克色散的角度分辨光电发射光谱以及材料族拓扑顺序的第一性原理计算
这些数据提供了一个完整的相互关联的证据谱，所有的证据都指向在这个戈薇磁铁中量子极限陈省身相位的实现
泰勒·阿说:“所有的部分都放在一起，就像教科书上展示的陈氏间隙磁性狄拉克费米子一样。”
科克伦是一名研究生，也是这项研究的第一作者
现在，该研究小组的理论和实验焦点正转移到几十种与TbMn6Sn6具有相似结构的化合物上，这些化合物具有各种磁性结构，每种结构都有各自的量子拓扑
“我们对量子极限陈省身相位的实验可视化展示了一种发现新拓扑磁体的原理证明方法，”该研究的另一位合著者、高级博士后研究员贾说
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领域，我们在普林斯顿的实验室已经为此进行了优化。”
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