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▲莱斯大学物理学家（从左至右）：Hsin-Hua Lai，Qimiao Si和Sarah Grefe，他们的研究称能够帮助实验物理学家创造出首个“Weyl-Kondo 半金属”。
美国和欧洲的物理学家一直在寻找高温超导的机理，但剑走偏锋的是，他们从理论模型中发现了物理领域中从未见过的物质：拓扑量子材料。
在这周最新的《美国科学院院刊》（PNAS）上，美国莱斯大学的物理学家Qimiao Si与莱斯大学量子材料中心及奥地利维也纳理工大学的同事共同发表文章称，他们能帮助实验物理学家创造出一种名为“Weyl-Kondo半金属”的量子材料，它能同时拥有拓扑绝缘体、重费米子金属和高温超导体等不同材料的多种特性。
量子材料的特性一般只在超低温下呈现。因此最著名的量子材料是20世纪80年代发现的高温超导体，之所以得名，是因为它能在温度远高于传统超导体的温度下传导电流。另一个典型的例子是20世纪70年代末期发现的重费米子材料。在这些材料中，电子的质量大几百倍，更不同寻常的是，随着温度的变化，有效电子质量变化很大。
许多理论物理学家献身于探索量子材料的机理。Si则专注于研究从一种量子态转变为另一种量子态的电子材料中产生的集体行为。在相变点附近，或“量子临界点”附近，即会出现高温超导现象。
早在2001年，Si和他的同事就提出了一种理论，解释了两个完全不同的量子态之间的电子跃迁是如何在量子临界点上产生这种行为的。这一理论使他们能够对材料在冷却到量子临界点时所产生的量子行为做出一系列预测。
“在过去两年里，一些学者报道了固态导电材料中的非平凡拓扑状态。但这依然是个悬而未解的问题，因为他们并没有说明材料是否是在导通状态下具有非平凡拓扑的，又或是两者相互作用的。这样的材料还没被发现，但人们一直在寻找。”Si说。
在最新研究中，Si和他的博士后同事Lai以及研究生Sarah Grefe使用一组模型来研究与量子临界和高温超导体有关的问题。
Lai说道：“我们在模型中偶然发现，材料的质量从电子质量的1000倍变成了零。”
“Weyl费米子”是80年前由物理学家Hermann Weyl首次提出的量子粒子，它的特征是其质量为0。
学者们也是最近才发现固态导电材料有能力携带有Weyl费米子。这些材料具有拓扑绝缘体的一些特性。一般来说，拓扑材料只能在绝缘体中定义，而电只能在材料表面流动，而不是通过材料。然而，由于Weyl费米子的存在，拓扑导体却能使电子在“体内”流动。
Si他们通过进一步研究发现，这个0质量费米子同时具有强电子关联与非平凡拓扑状态。
“我们立刻意识到，这些Weyl费米子源自于一个典型的强关联物理现象——近藤效应（Kondo effect）。因此我们将他们命名为‘Weyl-Kondo半金属’。”
“我们发现近藤效应使得Weyl费米子高速移动，于是我们可以预测其电子的相互作用可以使比热的温度依赖性提高数十亿倍。”Si说，即使是强相关电子系统的标准，这种效应也是巨大的。
“这些材料中的近藤效应出现在磁有序附近，而我们以前的研究表明高温超导倾向于在磁有序的边缘系统中出现，因此此项研究说明强相关拓扑态也可能存在与磁有序附近。这很可能蕴含着一种实验设计原则，能指导我们寻找各种强相关的拓扑状态。”
科界原创
编译：Coke 审稿：三水 编辑：程建兰
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