普林斯顿大学 与理论预测相比，二硫化钴中韦氏结的实验验证
学分:普林斯顿化学系，肖普实验室 领导美国各机构的合作
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在国外，普林斯顿大学化学系报道了磁性黄铁矿二硫化钴(CoS2)的新拓扑性质，这扩展了我们对这种长期研究的材料中电通道的理解
利用角分辨光电子能谱和从头计算，与肖普实验室合作的研究人员发现了块状CoS2中Weyl节点的存在，这使得他们能够预测其表面性质。
这种材料在其能带结构中包含了维勒费米子和费米弧面态，这可能使它成为奇异现象的平台，并使它成为自旋电子器件的候选材料之一
这项研究也解决了一个长期的争论，证明二氧化硅不是真正的半金属
半金属是对一个自旋方向的电子起导体作用，但对相反方向的电子起绝缘体或半导体作用的任何物质
虽然所有的半金属都是铁磁的，但大多数铁磁体不是半金属
二氧化硅不是半金属的这一发现对材料和器件工程有着重要的意义
普林斯顿化学的化学助理教授莱斯利·肖普称这项工作为“在旧材料中重新发现新物理”
这项研究发表在本周的《科学进展》杂志上
由于其流动的磁性，二氧化硅几十年来一直是研究的对象，并且从2000年代早期开始——在拓扑绝缘体被预测和发现之前——因为它有可能成为半金属
研究人员“很高兴”让后一种讨论停止
通过肖普的研究，这种材料被发现是磁性拓扑金属的一个罕见例子，被认为是电荷到自旋转换的媒介
通过解开CoS2的体电子结构和表面电子结构，研究人员已经证明了内部材料中的电子通道之间的关系，可以预测其表面的其他状态
在一种材料中，电流可以通过整体或沿着表面流动
研究人员发现，大块CoS2在其结构中包含称为Weyl节点的物体，这些节点充当电子通道，可以预测表面的其他状态。
“这里美丽的物理学是，你有这些要求自旋极化表面状态的维勒节点
这些可能会被用于自旋电子学应用
“这些只存在于表面的电子态具有与之相关的手性，由于这种手性，电子也只能向某些方向移动，”她补充道
“有些人考虑在其他应用中使用这些手性状态
以前发现的磁性材料不多
" 手性指的是使一个物体或系统与其镜像无法区分的属性
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不可叠加——这是许多科学分支的重要特性
肖普补充说，电子频道是极化的
这种磁性有可能被用来操纵材料:科学家可以切换磁化方向，然后表面状态可以被重新配置为对这种外加磁场的响应
论文的合著者，西班牙多诺斯蒂国际物理中心的Maia Vergniory补充道，“只有极少数磁性材料被测量出具有这样的表面状态，或者费米弧，这就像第四种，对吗？所以，我们真的可以测量和理解一种已知已久的物质中的自旋通道，这真的很神奇
" 作为同事，2016年，肖普和维格纳里讨论了研究二氧化硅的材料性质，特别是它是否可以被归类为真正的半金属
这项调查在2017年肖普来到普林斯顿后经历了几次反复，由肖普和多诺斯蒂亚大学维格纳里的研究生进行
瑞士保罗·舍勒研究所的同事、该论文的第一作者尼尔斯·施罗特监督了瑞士光源的团队，该团队绘制了Weyl节点的材料
“我们想要测量的不仅仅是表面电子结构，”施罗德说
“我们还想了解一些关于大块电子特性的知识，为了获得这两种互补的信息，我们不得不使用瑞士光源的专用ADRESS束线来探测大块材料深处的电子
" 施罗德解释了工程师们如何利用这种材料制造出一种设备
“你可以将这种材料与另一种材料接触，例如与一种磁性绝缘体或类似的东西接触，然后让电流通过它来产生电磁波
“这些拓扑材料的美妙之处在于，这些可以用于自旋注入的界面电子非常健壮
你不能轻易摆脱它们
这就是拓扑学和自旋电子学领域可能相遇的地方，因为拓扑学可能是一种方法，确保你有这些自旋极化的界面态与你想用电流或场来控制的其他磁性材料接触
" 肖普补充道，“我认为这种对这种非常古老且研究充分的材料的重新发现非常令人兴奋，我很高兴有这两位了不起的合作者帮助我确定了这一点
"
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