具有拓扑扭曲的量子磁体

以复杂的日本篮子图案命名，kagome磁体被认为具有电子特性，可能对未来的量子器件和应用有价值。理论预测这些材料中的一些电子具有奇异的，所谓的拓扑行为，而其他电子的行为有点像石墨烯，另一种材料因其新型电子产品的潜力而备受推崇。

现在，由普林斯顿大学的研究人员领导的一个国际团队观察到，这些磁体中的一些电子表现为集体，就像一个几乎无限大质量的电子，它具有奇异的磁性，而非单个粒子。这项研究发表在本周的自然物理杂志上。

该团队还表明，将kagome磁体放置在高磁场中会导致磁性方向反转。这种“负磁性”类似于指向南方而不是北方的指南针，或突然拒绝坚持的冰箱磁铁。

普林斯顿大学物理学教授尤金·希金斯说，“我们一直在寻找能够长时间导电的超大质量'平带'电子，最后我们找到了它们。”带领团队。“在这个系统中，我们还发现，由于内部量子相位效应，一些电子与磁场相反排列，产生负磁性。”

该团队探索了原子如何在水晶中以kagome图案排列，产生了奇特的电子特性，这些特性可以带来现实世界的好处，例如超导性，它可以让电流不受损失地流动，或者可以控制在量子上的磁力用于未来电子产品的水平。

研究人员使用最先进的扫描隧道显微镜和光谱学(STM / S)来观察由钴和锡制成的kagome图案晶体中的电子行为，夹在两层硫原子之间，这是进一步的夹在两层锡之间。

在kagome层中，钴原子在六边形周围形成三角形，中心具有锡原子。这种几何形状迫使电子进入一些不舒服的位置 - 这种类型的材料被称为“受挫的磁铁”。

为了探索这种结构中的电子行为，研究人员对顶层进行了切口，以揭示下方的kagome层。

然后，他们使用STM / S技术检测每个电子的能量分布或能带结构。带结构描述了电子在晶体中可以具有的能量范围，并且解释了例如为什么一些材料导电而另一些是绝缘体。研究人员发现，kagome层中的一些电子具有带状结构，而不是像大多数材料那样弯曲，而是扁平的。

平带结构表明电子具有的有效质量大到几乎无穷大。在这种状态下，颗粒共同作用而不是作为单独的颗粒。

理论长期以来预测kagome模式将产生平带结构，但这项研究是这种系统中第一次实验检测平带电子。

随后的一般预测之一是具有扁平带的材料可能表现出负磁性。

实际上，在目前的研究中，当研究人员应用强磁场时，一些kagome磁体的电子指向相反的方向。

“无论是向上还是向下施加电场，电子的能量都向同一方向翻转，这是实验中第一件奇怪的事情，”物理学研究生和三人之一的Songtian Sonia Zhang说。 - 论文的第一作者。

“这让我们困惑了大约三个月，”博士研究助理兼另一位共同第一作者尹家新说。“我们正在寻找原因，并且我们的合作者们意识到这是第一个实验证据，证明这个kagome晶格中的平带峰具有负磁矩。”

研究人员发现负磁性是由于kagome扁平带，称为自旋轨道耦合的量子现象，磁性和称为Berry曲率场的量子因子之间的关系而产生的。自旋轨道耦合指的是电子自旋是电子的量子特性的电子旋转与电子的轨道旋转相关联的情况。自旋 - 轨道耦合和材料的磁性结合导致所有电子在锁定步骤中表现，就像巨大的单个粒子一样。

紧密耦合的自旋 - 轨道相互作用产生的另一个有趣的行为是拓扑行为的出现。作为2016年诺贝尔物理学奖的主题，拓扑材料可以使电子在其表面上无阻力地流动，并且是研究的活跃领域。钴 - 锡 - 硫材料是拓扑系统的一个例子。

二维图案化的晶格可以具有其他期望类型的电子传导性。例如，石墨烯是一种碳原子模式，在过去的二十年中，它对电子应用产生了相当大的兴趣。kagome晶格的能带结构产生的电子与石墨烯中的电子相似。