作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 图表描述了在普通金属中引起Kohn异常的不同条件(左边)，与一种叫做Weyl半金属的材料(右边)的对比
纵轴表示能量，横轴表示动量空间
在传统金属中，当一个声子(q)将费米表面的两个部分联系起来时，就会发生科恩异常，费米表面以蓝色显示
在Weyl半金属中，当声子连接两个独立的Weyl点(kw1-kw2)时，Kohn异常出现
学分:麻省理工学院 麻省理工学院和其他地方的研究人员首次在一种意想不到的材料中发现了一种被称为科恩异常的奇异物理现象
他们说，这一发现可以为某些基本过程提供新的见解，有助于确定为什么金属和其他材料显示出复杂的电子特性，而这些特性是当今许多技术的基础
电子与声子相互作用的方式决定了许多电子设备内部发生的物理过程，声子本质上是通过晶体材料的振动
这些相互作用影响了金属抵抗电流的方式、某些材料突然变成超导体的温度、量子计算机的极低温度要求以及其他许多过程
但是电子-声子相互作用很难详细研究，因为它们通常很弱
新的研究发现了一种新的、更强的不寻常的电子-声子相互作用:研究人员在一种叫做拓扑维勒半金属的外来材料中诱发了科恩异常，这种异常以前被认为只存在于金属中
他们说，这一发现有助于阐明电子和声子之间复杂相互作用的重要方面
这项基于理论预测和实验观察的新发现发表在本周的《物理评论快报》杂志上，论文作者是麻省理工学院的研究生Thanh Nguyen和Nina Andrejevic、博士后Ricardo Pablo-Pedro、研究科学家韩非、李明达教授，以及麻省理工学院和其他几所大学和国家实验室的14名其他人员
物理学家沃尔特·科恩在20世纪50年代首次发现的科恩异常反映了一种突然的变化，有时被描述为一种扭结或摆动，在描述一种称为电子响应函数的物理参数的图形中
否则平滑曲线中的这种不连续性反映了电子屏蔽声子能力的突然变化
这可能导致电子在材料中传播的不稳定性，并可能导致许多新的电子特性
这些异常现象以前在某些金属和其他高导电性材料(如石墨烯)中观察到过，但在“拓扑材料”中从未见过或预测过，因为“拓扑材料”的电行为对扰动具有鲁棒性
在这种情况下，一种被称为Weyl半金属的拓扑材料，特别是磷化钽，被发现能够表现出这种不寻常的异常
与传统金属不同的是，在传统金属中，一种叫做费米表面的性质驱动科恩异常的形成，在这种材料中，韦尔点充当驱动力
因为电子-声子耦合几乎无时无刻不在发生，所以它们可能是微妙的物理系统(如量子计算机中用来表示数据的系统)中的主要干扰源
测量这些相互作用的强度是了解如何保护这种基于量子的技术的关键，但这一新发现提供了一种进行这种测量的方法，李说
“科恩异常可以用来量化电子-声子耦合有多强，”他说
为了测量相互作用，研究小组在三个国家实验室——阿尔贡国家实验室、橡树岭国家实验室和国家标准与技术研究所——使用了先进的中子和x光散射探针来探测磷化钽材料的行为
“我们仅仅基于纯理论就预测到了材料中存在Kohn异常，”李解释说，使用他们的计算，“我们可以将实验引导到我们想要寻找现象的点，并且我们看到理论和实验之间非常好的一致
" 明尼苏达大学的物理学教授马丁·格雷文没有参与这项研究，他说这项工作“广度和深度令人印象深刻，涵盖了复杂的理论和散射实验
它在凝聚态物理中开辟了新天地，因为它建立了一种新的科恩异常
" 研究人员说，对电子-声子耦合的更好理解可能有助于开发更好的高温超导体或容错量子计算机等材料
这种新工具可以用来探测材料特性，寻找那些在较高温度下相对不受影响的材料
加州理工学院材料科学和应用物理学教授布伦特·富尔茨(Brent Fultz)也没有参与这项工作，他补充说，“也许这些效应将有助于开发具有新的热学或电子特性的材料，但由于它们太新，我们需要时间来思考它们能做什么
" 该论文的主要作者Nguyen说，他认为这项工作有助于证明有时被忽视的声子在拓扑材料行为中的重要性
这类材料的表面电学性质不同于块体材料，是当前研究的热点
“我认为这可以让我们进一步了解这些材料背后的过程，这些材料对未来有很大的希望，”安德烈耶维奇说，他和韩是该论文的合著者
莱斯大学的物理学和天文学教授戴鹏程说:“虽然早就知道存在电子-声子相互作用，但是对这些相互作用的实验预测和观察极其罕见。”戴鹏程也没有参与这项工作
他说，这些结果“极好地展示了理论和实验相结合的力量，以此来扩展我们对这些外来物质的理解
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