讓電毫無損失地流過電網，這個夢想已經被「外爾半金屬」打開！

2020-10-18 博科園

想像一下這樣一個世界：電力可以毫無損失地流過電網，或者世界上所有的數據都可以存儲在雲中，而不需要發電站。這似乎難以想像，但隨著一種具有神奇特性的新材料家族的發現，通往這樣一個夢想的道路已經打開。這些材料（磁性Weyl（外爾）半金屬）天生是量子的，但在拓撲和自旋電子學的兩個世界之間架起了橋梁。拓撲材料表現出奇怪的性質，包括沒有任何能量損失的超快電子。另一方面，磁性材料對於我們的日常生活必不可少，從電動車的磁鐵到每個硬碟驅動器中的自旋電子設備。

磁性Weyl半金屬(WSM)的概念曾在空氣中出現，但真正的生活材料，現在由德勒斯登MPI CPfS主任Claudia Felser團隊在兩種截然不同的化合物中實現-Co2MnGa和Co3Sn2S2。為了找到這些非同尋常的材料，Felser團隊掃描了材料資料庫，並提出了一份有希望的候選名單。通過對Co2MnGa和Co3Sn2S2的電子結構研究，證明了這些材料是磁性Weyl半金屬。來自MPI CPfS的Claudia Felser團隊和MPI微觀結構物理Stuart Parkin團隊的科學家Halle：

與普林斯頓的M.Zahid Hasan的團隊，牛津大學的Ylin Chen的團隊，以及魏茨曼科學研究所的Haim Bedenkopf團隊合作。在發表在《科學》期刊上的三篇論文中，實驗證實了磁性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)實驗，觀察到時間反轉對稱性破缺的磁性Weyl半金屬態，這是通過在MPI CPfS生長的高質量單晶得以實現。磁性Weyl半金屬的發現是朝著實現高溫量子和自旋電子效應邁出的一大步。Halle Max Planck微結構物理研究所總經理Stuart Parkin說：

這兩種材料分別屬於高度可調諧的Heusler和Shandite家族，是未來各種自旋電子和磁光技術應用的理想平臺，用於數據存儲、信息處理以及能量轉換系統中的應用。Co2MnGa和Co3Sn2S2中的磁性拓撲態，對反常量子輸運效應的起源起著至關重要的作用，這是由於它們的拓撲態具有很強的Berry曲率。利用Weyl節點線和節點帶結構，Co2MnGa和Co3Sn2S2是目前已知僅有兩個同時具有大反常霍爾電導率和反常霍爾角的材料實例。材料具有高階溫度、清晰的拓撲帶結構、低電荷載流子密度和強電磁響應的天然優勢。

通過磁性Weyl半金屬的量子限制來設計一種具有高溫量子反常霍爾效應(QAHE)的材料，並將其集成到量子器件中是下一步的研究目標。磁性Weyl半金屬的發現是實現室溫QAHE的一大步，也是新能量轉換概念「量子反常霍爾效應」的基礎，量子反常霍爾效應能夠通過固有自旋極化的手性邊緣態實現無耗散傳輸。在室溫下實現QAHE將是革命性的，因為它克服了當今許多基於數據的技術限制，這些技術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備鋪平道路。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學會

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aav2334

DOI: 10.1126/science.aav2873

DOI: 10.1126/science.aav2327

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