想象一下這樣一個(gè)世界：電力可以毫無損失地流過電網(wǎng)，或者世界上所有的數(shù)據(jù)都可以存儲在云中，而不需要發(fā)電站。這似乎難以想象，但隨著一種具有神奇特性的新材料家族的發(fā)現(xiàn)，通往這樣一個(gè)夢想的道路已經(jīng)打開。

這些材料（磁性Weyl（外爾）半金屬）天生是量子的，但在拓?fù)浜妥孕娮訉W(xué)的兩個(gè)世界之間架起了橋梁。拓?fù)洳牧媳憩F(xiàn)出奇怪的性質(zhì)，包括沒有任何能量損失的超快電子。另一方面，磁性材料對于我們的日常生活必不可少，從電動車的磁鐵到每個(gè)硬盤驅(qū)動器中的自旋電子設(shè)備。

磁性Weyl半金屬(WSM)的概念曾在空氣中出現(xiàn)，但真正的生活材料，現(xiàn)在由德累斯頓MPI CPfS主任Claudia Felser團(tuán)隊(duì)在兩種截然不同的化合物中實(shí)現(xiàn)-Co2MnGa和Co3Sn2S2。為了找到這些非同尋常的材料，F(xiàn)elser團(tuán)隊(duì)掃描了材料數(shù)據(jù)庫，并提出了一份有希望的候選名單。通過對Co2MnGa和Co3Sn2S2的電子結(jié)構(gòu)研究，證明了這些材料是磁性Weyl半金屬。來自MPI CPfS的Claudia Felser團(tuán)隊(duì)和MPI微觀結(jié)構(gòu)物理Stuart Parkin團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家Halle：

與普林斯頓的M.Zahid Hasan的團(tuán)隊(duì)，牛津大學(xué)的Ylin Chen的團(tuán)隊(duì)，以及魏茨曼科學(xué)研究所的Haim Bedenkopf團(tuán)隊(duì)合作。在發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的三篇論文中，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了磁性Weyl半金屬 Fermions在這兩種材料中的存在。首次利用角分辨光電子能譜(ARPES)和掃描隧道顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)，觀察到時(shí)間反轉(zhuǎn)對稱性破缺的磁性Weyl半金屬態(tài)，這是通過在MPI CPfS生長的高質(zhì)量單晶得以實(shí)現(xiàn)。磁性Weyl半金屬的發(fā)現(xiàn)是朝著實(shí)現(xiàn)高溫量子和自旋電子效應(yīng)邁出的一大步。Halle Max Planck微結(jié)構(gòu)物理研究所總經(jīng)理Stuart Parkin說：

這兩種材料分別屬于高度可調(diào)諧的Heusler和Shandite家族，是未來各種自旋電子和磁光技術(shù)應(yīng)用的理想平臺，用于數(shù)據(jù)存儲、信息處理以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用。Co2MnGa和Co3Sn2S2中的磁性拓?fù)鋺B(tài)，對反常量子輸運(yùn)效應(yīng)的起源起著至關(guān)重要的作用，這是由于它們的拓?fù)鋺B(tài)具有很強(qiáng)的Berry曲率。利用Weyl節(jié)點(diǎn)線和節(jié)點(diǎn)帶結(jié)構(gòu)，Co2MnGa和Co3Sn2S2是目前已知僅有兩個(gè)同時(shí)具有大反常霍爾電導(dǎo)率和反?；魻柦堑牟牧蠈?shí)例。材料具有高階溫度、清晰的拓?fù)鋷ЫY(jié)構(gòu)、低電荷載流子密度和強(qiáng)電磁響應(yīng)的天然優(yōu)勢。

通過磁性Weyl半金屬的量子限制來設(shè)計(jì)一種具有高溫量子反?；魻栃?yīng)(QAHE)的材料，并將其集成到量子器件中是下一步的研究目標(biāo)。磁性Weyl半金屬的發(fā)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)室溫QAHE的一大步，也是新能量轉(zhuǎn)換概念“量子反?；魻栃?yīng)”的基礎(chǔ)，量子反?；魻栃?yīng)能夠通過固有自旋極化的手性邊緣態(tài)實(shí)現(xiàn)無耗散傳輸。在室溫下實(shí)現(xiàn)QAHE將是革命性的，因?yàn)樗朔水?dāng)今許多基于數(shù)據(jù)的技術(shù)限制，這些技術(shù)受到電子散射引起的巨大功率損失影響，這將為新一代低能耗量子電子和自旋電子設(shè)備鋪平道路。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aAV2334

DOI: 10.1126/science.aAV2873

DOI: 10.1126/science.aAV2327

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