科學家發現手性晶體表現出奇異的量子效應

一個國際研究小組發現某些類型的晶體具有不對稱性，如生物「手性」，稱為手性晶體，可能含有以意想不到的方式表現的電子。

「在我們工作之前，很少研究手性晶體中電子的量子能級特性，」 普林斯頓大學物理學教授Eugene Higgins的 M. Zahid Hasan說 。「這項決定性的工作為拓撲材料的探索開闢了一個新的大陸。」

手性，也稱為手性，是所有物體共有的物理屬性，不能疊加在鏡像上。它體現在日常物品上，如手套，鞋子，螺絲和多層停車場。手性晶體由於其磁性，光學，導電性以及特別是它們的拓撲性質而對物理學家非常感興趣。2016年， 普林斯頓謝爾曼Fairchild大學物理學教授 Duncan Haldane 因其預測拓撲材料特性的理論而獲得諾貝爾物理學獎。

「物質的拓撲性質已經成為現代物理學中最受歡迎的寶藏之一，」Hasan說，「無論是從基本角度還是尋找下一代量子和納米技術的潛在應用。」

在2018年10月的 一篇文章中，Hasan的團隊提出了一種理論，該理論彌合了晶體的物理手性與電子在這些晶體中的表現之間的差距，無論是量子力學的還是根據拓撲學的數學定律。研究人員驚訝地發現，所有非磁性手性晶體都具有通用的拓撲量子特性：它們的所有電子結構都具有由Weyl方程控制的帶接觸點，這是一個量子運動方程。物理學家Hermann Weyl在1929年在普林斯頓大學期間預測了這種粒子的行為。

現在，通過使用晶體的群論，Hasan的團隊已經確定手性晶體能夠容納新形式的Weyl費米子 - 這些電子的共同表現就像它們是無質量的 - 他們稱之為「手性費米子」。團隊應用這些對手性晶體的想法，並發現其電子，光學和拓撲行為的意外結果，提示「拓撲手性晶體」的名稱。研究人員進一步驚訝地發現這些拓撲手性晶體可以表現出獨特的現象，如大費米弧和電子自旋這些集體表現得像磁單極子。

利用他們的預測理論，作者還發現了許多具有實驗應用潛力的高質量手性化合物。其中，銠矽化物，統稱為RhSi族，顯示出最大的前景，展現出最長的拓撲表面費米弧 - 一個探索電子行為的巨大能量窗口。利用他們的革命性技術 檢測Weyl費米子 - 物理世界被認為 是2015 年十大突破之一 - 哈桑和他的團隊幾年前開始研究手性晶體RhSi家族中的電子。

他們使用幾種技術研究了原子在材料表面的排列，例如使用位於普林斯頓Jadwin Hall地下室的Hasan拓撲量子物質和高級光譜實驗室的掃描隧道顯微鏡檢查正確的對稱性。

然後將手性晶體帶到勞倫斯伯克利國家實驗室，研究小組的成員使用高能X射線將電子從表面上敲下來，因為分析發射電子產生的模式可以揭示它們的質量和速度。研究人員發現，從樣品深處發射的電子實際上具有零質量，它們的速度和自旋分布揭示了它們的手性(手)行為和它們的集體單極子特徵。

「令人驚訝的是，晶體結構的手性在某種程度上對這些材料中的電子產生了深遠的影響 - 它們現在無質量和手性，」 Tyler Cochran說 ，他是物理學研究生，也是三位共同作者之一。這篇論文。

「我們希望這是冰山一角，」研究生和共同第一作者 伊利亞·貝洛波爾斯基說。「自然界中有很多手性晶體。檢查其中有多少是拓撲結構會很棒。對於新型量子現象來說，這將是一個夢幻般的遊樂場。「

「手性晶體似乎是物質新型電子相的完美來源，更令人興奮的是，對於物理學家們尋找多年的無質量電子，」 另一位共同第一作者丹尼爾桑切斯說 。「我們發現它們真是太棒了。」

研究人員們興奮地發現這種量子級的電子手性的行為，說 國慶暢，在哈桑實驗室的一名博士後研究助理誰是理論的論文預測這些拓撲現象的第一作者。「這是我們的理論預測已通過實驗實現的例子之一，」他說。「這並不總是發生。我們預測了一些與大自然母親為我們存儲的東西一致的新東西 - 這真是令人興奮。「

「當你預測異國情調時，它確實非常令人滿意，而且它也出現在實驗室實驗中，」哈桑說。「這不是我們第一次成功預測量子物理學中的拓撲效應。我們成功地預測了一些新的基於鉍的拓撲絕緣體，這些絕緣體現在是該領域研究最多的化合物之一。「他補充說，」我們正在結合理論和實驗來推進知識前沿。「