科学家发现手性晶体表现出奇异的量子效应

2019-06-12 17:14:00

一个国际研究小组发现某些类型的晶体具有不对称性,如生物“手性”,称为手性晶体,可能含有以意想不到的方式表现的电子。

“在我们工作之前,很少研究手性晶体中电子的量子能级特性,” 普林斯顿大学物理学教授Eugene Higgins的 M. Zahid Hasan说 。“这项决定性的工作为拓扑材料的探索开辟了一个新的大陆。”

手性,也称为手性,是所有物体共有的物理属性,不能叠加在镜像上。它体现在日常物品上,如手套,鞋子,螺丝和多层停车场。手性晶体由于其磁性,光学,导电性以及特别是它们的拓扑性质而对物理学家非常感兴趣。2016年, 普林斯顿谢尔曼Fairchild大学物理学教授 Duncan Haldane 因其预测拓扑材料特性的理论而获得诺贝尔物理学奖。

“物质的拓扑性质已经成为现代物理学中最受欢迎的宝藏之一,”Hasan说,“无论是从基本角度还是寻找下一代量子和纳米技术的潜在应用。”

在2018年10月的 一篇文章中,Hasan的团队提出了一种理论,该理论弥合了晶体的物理手性与电子在这些晶体中的表现之间的差距,无论是量子力学的还是根据拓扑学的数学定律。研究人员惊讶地发现,所有非磁性手性晶体都具有通用的拓扑量子特性:它们的所有电子结构都具有由Weyl方程控制的带接触点,这是一个量子运动方程。物理学家Hermann Weyl在1929年在普林斯顿大学期间预测了这种粒子的行为。

现在,通过使用晶体的群论,Hasan的团队已经确定手性晶体能够容纳新形式的Weyl费米子 - 这些电子的共同表现就像它们是无质量的 - 他们称之为“手性费米子”。团队应用这些对手性晶体的想法,并发现其电子,光学和拓扑行为的意外结果,提示“拓扑手性晶体”的名称。研究人员进一步惊讶地发现这些拓扑手性晶体可以表现出独特的现象,如大费米弧和电子自旋这些集体表现得像磁单极子。

利用他们的预测理论,作者还发现了许多具有实验应用潜力的高质量手性化合物。其中,铑硅化物,统称为RhSi族,显示出最大的前景,展现出最长的拓扑表面费米弧 - 一个探索电子行为的巨大能量窗口。利用他们的革命性技术 检测Weyl费米子 - 物理世界被认为 是2015 年十大突破之一 - 哈桑和他的团队几年前开始研究手性晶体RhSi家族中的电子。

他们使用几种技术研究了原子在材料表面的排列,例如使用位于普林斯顿Jadwin Hall地下室的Hasan拓扑量子物质和高级光谱实验室的扫描隧道显微镜检查正确的对称性。

然后将手性晶体带到劳伦斯伯克利国家实验室,研究小组的成员使用高能X射线将电子从表面上敲下来,因为分析发射电子产生的模式可以揭示它们的质量和速度。研究人员发现,从样品深处发射的电子实际上具有零质量,它们的速度和自旋分布揭示了它们的手性(手)行为和它们的集体单极子特征。

“令人惊讶的是,晶体结构的手性在某种程度上对这些材料中的电子产生了深远的影响 - 它们现在无质量和手性,” Tyler Cochran说 ,他是物理学研究生,也是三位共同作者之一。这篇论文。

“我们希望这是冰山一角,”研究生和共同第一作者 伊利亚·贝洛波尔斯基说。“自然界中有很多手性晶体。检查其中有多少是拓扑结构会很棒。对于新型量子现象来说,这将是一个梦幻般的游乐场。“

“手性晶体似乎是物质新型电子相的完美来源,更令人兴奋的是,对于物理学家们寻找多年的无质量电子,” 另一位共同第一作者丹尼尔桑切斯说 。“我们发现它们真是太棒了。”

研究人员们兴奋地发现这种量子级的电子手性的行为,说 国庆畅,在哈桑实验室的一名博士后研究助理谁是理论的论文预测这些拓扑现象的第一作者。“这是我们的理论预测已通过实验实现的例子之一,”他说。“这并不总是发生。我们预测了一些与大自然母亲为我们存储的东西一致的新东西 - 这真是令人兴奋。“

“当你预测异国情调时,它确实非常令人满意,而且它也出现在实验室实验中,”哈桑说。“这不是我们第一次成功预测量子物理学中的拓扑效应。我们成功地预测了一些新的基于铋的拓扑绝缘体,这些绝缘体现在是该领域研究最多的化合物之一。“他补充说,”我们正在结合理论和实验来推进知识前沿。“