物理学家成功制造kagome形态量子电子材料

▲从左起为Joe Checkelsky, Linda Ye, Min Gu Kang和Riccardo Comin。

若干年来，物理学家们一直对日本的“kagome”图案十分着迷。Kagome竹篮通常是由竹条编织成的具有高度交错对称、角共享的三角形编织件。如果某种金属或者导电材料能够在原子尺度上排列成类似Kagome的模式，那么从理论上来讲，它很可能会表现出独特的电子特性。

近日发表于《自然》上的文章称道，来自美国麻省理工学院、哈佛大学和劳伦斯·伯克利国家实验室的物理学家们首次制备了一种由铁/锡原子层构成的kagome金属，该金属的每一原子层都是重复出现的kagome晶格。研究人员发现，当电流穿过kagome层时，三角排列的原子会诱导出神奇的量子状行为——电子并不径直穿越晶格，而是转向或者折返回到晶格内。这种量子行为可称为量子霍尔效应的3D“嫡亲”。在这种行为中，电子在通过二维材料时，会表现出“手性，拓扑态”，即它们会弯曲成紧密的环状路径，在不损失能量的情况下沿着边缘流动。

 “通过构筑具有内磁性的kagome金属晶格，使得这种奇特的量子行为可以在室温或者更高温度下持续出现，”麻省理工物理学助理教授Joseph Checkelsky说，“晶体中的电荷不仅会受原子磁场的作用，还会受到晶格的纯量子力学磁力的作用。这可能对未来超导材料的研究有帮助。”为了继续探寻kagome金属的奥秘，研究人员测定了其能谱。“从根本上讲，电子首先从材料的表面射出，然后我们检测到它们的发射角度与动能有函数关系，”麻省理工物理学助理教授Riccardo Comin说，“由此产生的图像是电子能级被电子占据的直观快照。在此，它们揭示了几乎无质量的‘Dirac’粒子（光量子）的产生。”能谱分析显示，电子在通过晶体的时候获得了相对论质量（类似于迪拉克费米子）。理论上讲，这与构成晶格的铁原子和锡原子有关。铁原子具有磁性，可以产生手性。锡原子有较强的核电荷，可以产生大型的局部电场。当外部电流通过晶格时，它感知到的锡产生的场不再是电场，而是磁场，因而会产生弯折现象。Checkelsky和Comin主持了这项研究，其余参与人员还包括Linda Ye，Min Gu Kang等。

 很早以前，物理学家们就已建立了理论，认为电子材料可以通过自身固有磁性和晶格几何形态实现量子霍尔行为。然而直到几年前，研究人员才在这类材料的研究中取得进展。Checklsky说，物理学界曾试图将量子系统从外磁性中解放出来，利用其内磁性驱动量子行为。为了观察这种量子行为，需要消除实验室产生的磁场，其强度超过地球磁场的100万倍。“有若干其他研究团队也能在极端条件（比绝对零度略高）下诱导出量子霍尔效应，”Checkelsky说，“但这是非自然产生的结果。”

 在麻省理工学院，Checkelsky在Evelyn Tang博士和Xiao-Gang Wen教授研究成果的启发下，转而在kagome晶格中寻找驱动量子霍尔效应的方法。第一作者Ye将铁和锡混合在一起，然后将混合金属加热，最后在约750℃制得了具有kagome晶格的金属晶体。Ye迅速将晶体浸入冰浴中，以保持其晶格在常温下的稳定性。“kagome晶格有很大的空洞，但这对于晶相固体来讲是不稳定的，”Ye解释说，“我们的诀窍是，用一种至少在高温下稳定的原子去填充空洞。制造这种量子材料并不需要炼金术，只需要材料科学和耐心。”当晶体样品制备完成后，就交由哈佛大学分析晶体的原子层结构。在确定材料具有kagome结构后，Ye观测了电流通过晶层的情况。她发现虽然金属晶体具有三维性，但电荷偏转的方式却更接近二维性。最终，论文的共同一作Kang证实，电子光谱与二维电子相对应。Kang说：“当我们仔细观察电子能带时，发现了不寻常的现象——电子在这种磁性材料中的行为与Dirac粒子类似。这种行为虽然在很早以前就已经有过预测，但并未实际观察到过。”Comin补充说：“kagome材料具有的独特磁性和拓扑结构表明，它们很可能还会产生其他涌现现象。我们下一阶段的目标是探测和操控边缘态。”

 目前，该研究团队正在探究如何保持更高二维度kagome晶格结构的稳定性。假如这类材料可以成功问世，那么将会对零能量耗散电子设备和量子计算等研究产生深远影响。Checkelsky展望道：“kagome金属材料将为量子电器的设计提供新思路。”

科界原创

编译：雷鑫宇 审稿：西莫  编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-03-physicists-quantum-electronic-material.html