由狄拉克物理、金屬磁、二維性、化學(xué)穩(wěn)定性集于一身的奇異材料！

凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域是緊密聯(lián)系在一起的，因?yàn)樾挛锢斫?jīng)常在具有特殊原子排列的材料中被發(fā)現(xiàn)。晶體在空間中有重復(fù)的原子單元，可以有特殊的圖案，從而產(chǎn)生奇異的物理特性。特別令人興奮的是擁有多種奇異特性的材料，因?yàn)樗鼈冏尶茖W(xué)家有機(jī)會(huì)研究這些特性是如何相互作用和影響的。而這些組合可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的現(xiàn)象，并推動(dòng)多年的基礎(chǔ)和技術(shù)研究。

現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項(xiàng)新研究中，一個(gè)由Mazhar N.Ali博士領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究表明，一種名為KV3Sb5的新材料具有前所未有的性能組合，產(chǎn)生了有史以來(lái)最大的反常霍爾效應(yīng)(AHES)；在2開爾文的溫度下，每厘米有15500個(gè)西門子。KV3Sb5是在約翰·霍普金斯大學(xué)合著者Tyrel McQueen教授的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的，它將四種特性結(jié)合到一種材料中：狄拉克物理、金屬受挫磁性、二維可剝離性(如石墨烯)和化學(xué)穩(wěn)定性。

在這個(gè)背景下，狄拉克物理學(xué)涉及到這樣一個(gè)事實(shí)，即KV3Sb5中的電子不只是普通電子；它們以極低的有效質(zhì)量以極快的速度移動(dòng)。這意味著它們的行為“像光一樣”；它們的速度正變得接近光速，行為就好像它們只有應(yīng)該擁有的質(zhì)量的一小部分。這導(dǎo)致這種材料是高度金屬化的，大約15年前首次發(fā)現(xiàn)在石墨烯中。當(dāng)一種材料中的磁矩（想象一下，當(dāng)你把它們放在一起時(shí)，小條形磁鐵試圖彼此轉(zhuǎn)動(dòng)，并從北向南排成一行）以特殊的幾何形狀排列時(shí)：

多種特性結(jié)合

就會(huì)出現(xiàn)“受挫的磁性”，就像三角網(wǎng)一樣。這種情況可能會(huì)使條形磁鐵很難排成一條直線，使它們彼此抵消并保持穩(wěn)定。具有這種特性的材料很少見，尤其是金屬材料。大多數(shù)受挫的磁體材料都是電絕緣體，這意味著它們的電子不能移動(dòng)。幾十年來(lái)，金屬受挫磁鐵一直備受追捧。據(jù)預(yù)測(cè)，它們將容納非傳統(tǒng)的超導(dǎo)、馬約拉納費(fèi)米子、用于量子計(jì)算等。在結(jié)構(gòu)上，KV3Sb5具有二維的層狀結(jié)構(gòu)，其中三角形的釩和銻層松散地堆積在鉀層的頂部。

這使得研究人員可以簡(jiǎn)單地使用膠帶剝離幾層(也稱為薄片)一次。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗茏尶茖W(xué)家使用電子束光刻技術(shù)（就像用來(lái)制造計(jì)算機(jī)芯片的光刻技術(shù)，但使用的是電子而不是光子），從薄片中制造微小的設(shè)備，并測(cè)量人們不容易批量測(cè)量的特性。來(lái)自馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的主要作者楊碩英說：我們很興奮地發(fā)現(xiàn)，這些薄片在制造過程中相當(dāng)穩(wěn)定，這使得使用和探索許多性能相對(duì)容易。

有了這些特性的結(jié)合，研究小組首先選擇在材料中尋找反常霍爾效應(yīng)(AHE)。這種現(xiàn)象是有外加電場(chǎng)(但沒有磁場(chǎng))材料中的電子可以通過各種機(jī)制偏轉(zhuǎn)90度的地方。理論上認(rèn)為，具有三角形自旋排列的金屬可以承載顯著的外部效應(yīng)，所以這是一個(gè)很好的起點(diǎn)。利用角度分辨光電子能譜、微器件制造和低溫電子性能測(cè)量系統(tǒng)，AHE可以分為兩大類：內(nèi)在的和外在的。

反?；魻栃?yīng)

內(nèi)在機(jī)制就像足球運(yùn)動(dòng)員通過彎曲球或電子，繞過一些后衛(wèi)(而不與他們相撞)傳球給他們的隊(duì)友。外在的就像球在碰撞后從后衛(wèi)或磁散射中心彈到一邊。許多外在控制的材料在場(chǎng)上有一個(gè)隨機(jī)排列的后衛(wèi)，或者是在整個(gè)晶體中隨機(jī)稀釋的磁散射中心。KV3Sb5的特別之處在于它有3個(gè)磁散射中心組成的三角網(wǎng)。在這種情況下，球從一群后衛(wèi)而不是一個(gè)后衛(wèi)身上散開，比起只有一個(gè)擋路的情況，球更有可能偏向一邊。

KV3Sb5的特別之處在于，它有3個(gè)磁散射中心組成的組，排列成三角形網(wǎng)。在這種情況下，球從一群后衛(wèi)身上反彈，而不是單個(gè)后衛(wèi)，更有可能偏向一側(cè)，而不是只有一個(gè)擋路。這實(shí)質(zhì)上就是研究人員在本材料中證明理論上的自旋——團(tuán)簇偏向散射AHE機(jī)制。然而，入射球擊中集群的條件似乎很重要；你或我踢球與克里斯蒂亞諾·羅納爾多踢球的情況不同。當(dāng)羅納爾多踢它的時(shí)候，它移動(dòng)得更快，從集群中反彈出來(lái)的速度也要快得多，比任何普通人踢它的速度都要快。

這就是這種材料中的狄拉克準(zhǔn)粒子(羅納爾多)與普通電子(普通人)之間的區(qū)別，這也與科學(xué)家為什么看到這么大的反常霍爾效應(yīng)有關(guān)。這些結(jié)果還可能幫助科學(xué)家識(shí)別具有這種成分組合的其他材料。重要的是，支配這種反常霍爾效應(yīng)的相同物理原理，也可以驅(qū)動(dòng)非常大的自旋霍爾效應(yīng)(SHE)，即不是產(chǎn)生正交的電荷電流，而是產(chǎn)生正交的自旋電流，這對(duì)于基于電子自旋而非電荷的下一代計(jì)算技術(shù)非常重要。

對(duì)科學(xué)家來(lái)說，這是一種新的游樂場(chǎng)材料：金屬狄拉克物理，受挫的磁性，可剝落，化學(xué)穩(wěn)定，集于一身。，有很多機(jī)會(huì)探索有趣的、奇怪的現(xiàn)象，比如非傳統(tǒng)的超導(dǎo)等。

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博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb6003

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