一種被稱為“戈薇”圖案的日本網(wǎng)籃圖形已經(jīng)讓科學(xué)家潛心研究很久。戈薇籃子通常是用竹條編織成的一種非常對(duì)稱的交錯(cuò)的角共享三角形。

如果一個(gè)金屬或其他導(dǎo)電材料在原子尺度上看起來(lái)像這樣的戈薇樣式，每個(gè)原子排列成類似的三角形圖案，那么理論上它應(yīng)該顯示罕見(jiàn)的電子屬性。

麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表文章稱，他們首次開(kāi)發(fā)出了一種“戈薇”金屬——由錫和鐵原子層組成的導(dǎo)電晶體，每個(gè)原子層都是由一種可重復(fù)的戈薇狀晶格構(gòu)成的。

當(dāng)電流通過(guò)晶體內(nèi)的戈薇層傳遞時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，原子的三角形排列會(huì)在傳遞電流中誘發(fā)奇異的量子狀行為。電子不是直接穿過(guò)晶格，而是在晶格內(nèi)突然轉(zhuǎn)向或彎曲。

這種行為是所謂的量子霍爾效應(yīng)的三維狀態(tài)。其中，通過(guò)二維材料流動(dòng)的電子將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)手性的拓?fù)錉顟B(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，它們會(huì)彎曲成緊密的、圓形的路徑，沿著邊緣流動(dòng)而且不會(huì)損失任何能量。

“通過(guò)構(gòu)建具有固有磁性的戈薇鐵網(wǎng)絡(luò)，這種奇異的行為會(huì)持續(xù)到室溫和更高的溫度。” 麻省理工學(xué)院的助理物理教授Joseph Checkelsky說(shuō)，“晶體中的電荷不僅能感受到來(lái)自這些原子的磁場(chǎng)，而且還能感受到來(lái)自晶格的純量子力學(xué)磁力。在未來(lái)的材料中，這可能會(huì)導(dǎo)致完美的電傳導(dǎo)，類似于超導(dǎo)性。”

為了研究這些發(fā)現(xiàn)，研究小組使用了由赫茲首次發(fā)現(xiàn)、愛(ài)因斯坦闡明的光電效應(yīng)的一種高級(jí)版本，來(lái)測(cè)量晶體內(nèi)的能量譜。

“從根本上說(shuō)，電子首先從材料表面噴射出來(lái)，然后以起飛角和動(dòng)能的函數(shù)形式被檢測(cè)。” 麻省理工學(xué)院的助理物理教授Riccardo Comin說(shuō)，“圖像結(jié)果是電子能級(jí)被電子占據(jù)的非常直白的快照，在這種情況下，他們揭示了幾乎無(wú)質(zhì)量的狄拉克粒子的產(chǎn)生。這是一種帶電的光子，即光量子。”

該光譜揭示了電子在晶體中流動(dòng)的方式，表明最初無(wú)質(zhì)量的電子獲得了相對(duì)論質(zhì)量，類似于稱為大型狄拉克費(fèi)米子的粒子。從理論上講，這是由晶格中的鐵原子和錫原子的存在所導(dǎo)致的。前者具有磁性和手性。后者擁有較大的核電荷，形成一個(gè)大型的局部電場(chǎng)。當(dāng)外電流流過(guò)時(shí)，它會(huì)以磁場(chǎng)的形式感應(yīng)到錫的電場(chǎng)，從而產(chǎn)生偏離。

研究團(tuán)隊(duì)由Checkelsky和Comin指導(dǎo)，以及研究生Linda Ye和Min Gu Kang與比登哈恩物理學(xué)副教授Liang Fu和博士后Junwei Liu合作。這個(gè)團(tuán)隊(duì)還包括了Christina Wicker ’17、麻省理工學(xué)院的研究科學(xué)家Takehito Suzuki，F(xiàn)elix von Cube和哈佛大學(xué)的David Bell，Chris Jozwiak，Aaron Bostwick，以及勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Eli Rotenberg。

不需要煉金術(shù)

多年來(lái)，物理學(xué)家們已經(jīng)建立了理論，認(rèn)為電子材料可以利用其固有的磁性特征和晶格幾何來(lái)輔助奇異的量子霍爾行為。直到幾年前科學(xué)家才在鑒別這種材料方面取得了進(jìn)展。

“科學(xué)界意識(shí)到，可以用磁性物質(zhì)構(gòu)成系統(tǒng)，然后系統(tǒng)固有的磁性可能會(huì)驅(qū)使這種行為。” 此時(shí)正在東京大學(xué)進(jìn)行研究的Checkelsky說(shuō)。這就不需要實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的磁場(chǎng)了。正常情況下為了觀察這一現(xiàn)象所需的實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)是地球磁場(chǎng)的100萬(wàn)倍。

“一些研究小組能夠以這種方式誘導(dǎo)量子霍爾效應(yīng)，但仍在絕對(duì)零度以上幾度的極端溫度下。這是將磁場(chǎng)硬塞進(jìn)正常情況下不會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象的材料中。”Checkelsky說(shuō)。

在麻省理工學(xué)院，Checkelsky轉(zhuǎn)而尋求用內(nèi)在磁力驅(qū)動(dòng)這種行為的方法。由Evelyn Tang博士和Xiao-Gang Wen教授的博士工作所激發(fā)的一個(gè)重要的見(jiàn)解，就是在戈薇點(diǎn)中追求這種行為。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先將錫和鐵混合在一起，然后在熔爐中加熱得到的粉末，在大約750攝氏度的溫度下形成晶體，在這種溫度下，錫和鐵原子以一種類似于戈薇形狀來(lái)排列。然后她將晶體浸入一個(gè)冰浴中，使晶格結(jié)構(gòu)在室溫下保持穩(wěn)定。

“戈薇形狀有很大的空隙，可能很容易手工編織，但在晶體中是不穩(wěn)定的，它們更喜歡最好的原子填充物。這里的訣竅是在一個(gè)至少在高溫下穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)中用第二種原子填充空隙。實(shí)現(xiàn)這些量子材料并不需要煉金術(shù)，而是材料科學(xué)和耐心。” Ye說(shuō)。

向零損耗邁進(jìn)

在研究人員成功地培育出了數(shù)個(gè)直徑約為1毫米的晶體樣品后，他們把樣品交給了哈佛的同事，用透射電子顯微鏡對(duì)每個(gè)晶體中的各個(gè)原子層進(jìn)行了成像。由此產(chǎn)生的圖像顯示，在每一層中，錫和鐵原子的排列看起來(lái)就像戈薇晶格中的三角形圖案。大多數(shù)情況下，鐵原子位于每個(gè)三角形的角上，而一個(gè)錫原子位于交錯(cuò)三角形之間的較大的六邊形空間內(nèi)。

然后Ye將一股電流通過(guò)晶體層，通過(guò)他們所創(chuàng)造的電壓來(lái)觀察它們的流動(dòng)。她了解到，無(wú)論晶體的三維性質(zhì)如何，電荷都以二維的方式偏轉(zhuǎn)。最終的證明來(lái)自于第一作者Kang的光電子實(shí)驗(yàn)，他和LBNL團(tuán)隊(duì)一起證明了電子光譜與有效的2D電子相對(duì)應(yīng)。

“當(dāng)我們仔細(xì)觀察電子帶時(shí)，我們注意到一些不尋常的東西，”Kang補(bǔ)充道。“這種磁性材料中的電子表現(xiàn)如同巨大的狄拉克粒子，這是很久以前就預(yù)言過(guò)的，但在這些系統(tǒng)中從未見(jiàn)過(guò)。”

這種材料在交織磁場(chǎng)和拓?fù)浞矫娴莫?dú)特能力表明它們很可能會(huì)產(chǎn)生其他的意外現(xiàn)象。我們的下一個(gè)目標(biāo)是探測(cè)和操縱邊緣狀態(tài)，這是這些新發(fā)現(xiàn)的量子電子相的拓?fù)湫再|(zhì)的重要推論。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將探索如何穩(wěn)定其他更加二維的戈薇晶格結(jié)構(gòu)。這樣的材料，如果可以合成的話，不僅可以用來(lái)嘗試零能耗的設(shè)備，比如無(wú)耗散的電力線，還可以用來(lái)研究量子計(jì)算的應(yīng)用。

“在量子信息科學(xué)的新方向上，人們對(duì)新奇的量子電路越來(lái)越感興趣，而這些通路的耗散性和手性都很低，”Checkelsky說(shuō)。“這些戈薇金屬為實(shí)現(xiàn)量子電路的新平臺(tái)提供了一種新的材料設(shè)計(jì)途徑。”

這項(xiàng)研究得到了戈登與貝蒂·摩爾基金會(huì)和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。