科学|由狄拉克物理、金属磁、二维性、化学稳定性集于一身的奇异材料！
凝聚态物理和材料科学领域是紧密联系在一起的 ， 因为新物理经常在具有特殊原子排列的材料中被发现 。 晶体在空间中有重复的原子单元 ， 可以有特殊的图案 ， 从而产生奇异的物理特性 。 特别令人兴奋的是拥有多种奇异特性的材料 ， 因为它们让科学家有机会研究这些特性是如何相互作用和影响的 。 而这些组合可能会产生意想不到的现象 ， 并推动多年的基础和技术研究 。
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现发表在《科学进展》期刊上的一项新研究中 ， 一个由Mazhar N.Ali博士领导的国际科学家团队研究表明 ， 一种名为KV3Sb5的新材料具有前所未有的性能组合 ， 产生了有史以来最大的反常霍尔效应(AHES)；在2开尔文的温度下 ， 每厘米有15500个西门子 。 KV3Sb5是在约翰·霍普金斯大学合著者Tyrel McQueen教授的实验室中发现的 ， 它将四种特性结合到一种材料中：狄拉克物理、金属受挫磁性、二维可剥离性(如石墨烯)和化学稳定性 。
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在这个背景下 ， 狄拉克物理学涉及到这样一个事实 ， 即KV3Sb5中的电子不只是普通电子；它们以极低的有效质量以极快的速度移动 。 这意味着它们的行为“像光一样”；它们的速度正变得接近光速 ， 行为就好像它们只有应该拥有的质量的一小部分 。 这导致这种材料是高度金属化的 ， 大约15年前首次发现在石墨烯中 。 当一种材料中的磁矩（想象一下 ， 当你把它们放在一起时 ， 小条形磁铁试图彼此转动 ， 并从北向南排成一行）以特殊的几何形状排列时：
多种特性结合
就会出现“受挫的磁性” ， 就像三角网一样 。 这种情况可能会使条形磁铁很难排成一条直线 ， 使它们彼此抵消并保持稳定 。 具有这种特性的材料很少见 ， 尤其是金属材料 。 大多数受挫的磁体材料都是电绝缘体 ， 这意味着它们的电子不能移动 。 几十年来 ， 金属受挫磁铁一直备受追捧 。 据预测 ， 它们将容纳非传统的超导、马约拉纳费米子、用于量子计算等 。 在结构上 ， KV3Sb5具有二维的层状结构 ， 其中三角形的钒和锑层松散地堆积在钾层的顶部 。
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这使得研究人员可以简单地使用胶带剥离几层(也称为薄片)一次 。 这一点非常重要 ， 因为它能让科学家使用电子束光刻技术（就像用来制造计算机芯片的光刻技术 ， 但使用的是电子而不是光子） ， 从薄片中制造微小的设备 ， 并测量人们不容易批量测量的特性 。 来自马克斯·普朗克微结构物理研究所的主要作者杨硕英说：我们很兴奋地发现 ， 这些薄片在制造过程中相当稳定 ， 这使得使用和探索许多性能相对容易 。
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有了这些特性的结合 ， 研究小组首先选择在材料中寻找反常霍尔效应(AHE) 。 这种现象是有外加电场(但没有磁场)材料中的电子可以通过各种机制偏转90度的地方 。 理论上认为 ， 具有三角形自旋排列的金属可以承载显著的外部效应 ， 所以这是一个很好的起点 。 利用角度分辨光电子能谱、微器件制造和低温电子性能测量系统 ， AHE可以分为两大类：内在的和外在的 。
反常霍尔效应
内在机制就像足球运动员通过弯曲球或电子 ， 绕过一些后卫(而不与他们相撞)传球给他们的队友 。 外在的就像球在碰撞后从后卫或磁散射中心弹到一边 。 许多外在控制的材料在场上有一个随机排列的后卫 ， 或者是在整个晶体中随机稀释的磁散射中心 。 KV3Sb5的特别之处在于它有3个磁散射中心组成的三角网 。 在这种情况下 ， 球从一群后卫而不是一个后卫身上散开 ， 比起只有一个挡路的情况 ， 球更有可能偏向一边 。
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KV3Sb5的特别之处在于 ， 它有3个磁散射中心组成的组 ， 排列成三角形网 。 在这种情况下 ， 球从一群后卫身上反弹 ， 而不是单个后卫 ， 更有可能偏向一侧 ， 而不是只有一个挡路 。 这实质上就是研究人员在本材料中证明理论上的自旋——团簇偏向散射AHE机制 。 然而 ， 入射球击中集群的条件似乎很重要；你或我踢球与克里斯蒂亚诺·罗纳尔多踢球的情况不同 。 当罗纳尔多踢它的时候 ， 它移动得更快 ， 从集群中反弹出来的速度也要快得多 ， 比任何普通人踢它的速度都要快 。
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这就是这种材料中的狄拉克准粒子(罗纳尔多)与普通电子(普通人)之间的区别 ， 这也与科学家为什么看到这么大的反常霍尔效应有关 。 这些结果还可能帮助科学家识别具有这种成分组合的其他材料 。 重要的是 ， 支配这种反常霍尔效应的相同物理原理 ， 也可以驱动非常大的自旋霍尔效应(SHE) ， 即不是产生正交的电荷电流 ， 而是产生正交的自旋电流 ， 这对于基于电子自旋而非电荷的下一代计算技术非常重要 。
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对科学家来说 ， 这是一种新的游乐场材料：金属狄拉克物理 ， 受挫的磁性 ， 可剥落 ， 化学稳定 ， 集于一身 。， 有很多机会探索有趣的、奇怪的现象 ， 比如非传统的超导等 。
博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会
参考期刊《科学进展》
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