科技日報記者 張佳欣

由日本理化學(xué)研究所新興物質(zhì)科學(xué)研究中心強關(guān)聯(lián)量子輸運實驗室領(lǐng)導(dǎo)的國際團隊，首次成功合成了理想的外爾半金屬，標志著困擾量子材料領(lǐng)域十年的難題取得突破性進展。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志。

外爾費米子是由晶體中電子的集體量子激發(fā)產(chǎn)生的。據(jù)預(yù)測，它們能展現(xiàn)出奇異的電磁特性，因此引起全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。

科學(xué)家在過去十年中對數(shù)千種晶體進行了深入研究，但大多數(shù)外爾半金屬的電導(dǎo)性主要由不具備拓撲或特殊性質(zhì)的電子主導(dǎo)，從而掩蓋了外爾費米子的行為。此次，團隊終于合成了一種僅含有一對外爾費米子且不存在無關(guān)電子態(tài)的金屬材料。

團隊從拓撲半導(dǎo)體中設(shè)計出了外爾半金屬。這一策略最初于2011年從理論上提出，但隨后被學(xué)界擱置。

半導(dǎo)體具有較小的“能隙”，使其能夠在絕緣態(tài)和導(dǎo)電態(tài)之間切換，成為商用晶體管的基礎(chǔ)。半金屬可以看作是一種極限的半導(dǎo)體，其“能隙”為零，處于絕緣體和金屬之間的臨界點。在現(xiàn)實材料中，這種極端情況極為罕見。最著名的例子可能是石墨烯，已在莫爾物理學(xué)和柔性電子學(xué)中得到應(yīng)用。

該研究中使用的拓撲半導(dǎo)體為碲化鉍。團隊以高度可控的方式調(diào)整了材料的化學(xué)成分，用鉻替代了鉍，從而合成了（Cr,Bi）₂Te₃。他們對這種材料中巨大的反常霍爾效應(yīng)感到好奇，因為它預(yù)示著拓撲半導(dǎo)體之外的新物理現(xiàn)象。

與以往的外爾半金屬不同，（Cr,Bi）₂Te₃獨特的簡單電子結(jié)構(gòu)使團隊能夠利用精確的理論定量解釋實驗，并根據(jù)出現(xiàn)的巨大反常霍爾效應(yīng)做出推斷。團隊表示，這一現(xiàn)象正是由材料內(nèi)部新出現(xiàn)的外爾費米子所引起。

總編輯圈點

外爾費米子于1929年提出，用以描述高能物理中遵循外爾方程的一種無質(zhì)量費米子。2011年，理論工作者在磁性固體材料中發(fā)現(xiàn)了一種遵循外爾方程的電子態(tài)，這一發(fā)現(xiàn)意味著人們有可能在固體材料中找到他們所期盼的神秘粒子，它在量子計算、量子信息傳遞方面具有巨大優(yōu)勢。2018年，多國研究人員曾宣布找到了磁性外爾半金屬；現(xiàn)在，研究人員又合成了一種新材料，表現(xiàn)出了“巨大的反?；魻栃?yīng)”?；A(chǔ)研究的突破，假以時日總能給應(yīng)用領(lǐng)域帶來深遠變革。