四海图库彩色开奖结果3篇Science首次证明Weyl费米
发布日期: 2019-10-05

  原标题:3篇Science首次证明Weyl费米子的存在,拓扑材料离应用更进一步!

  2019年9月20日,Science在线发表了三篇文章。四海图库彩色开奖结果!三篇文章从不同磁性材料着手,首次证明了逆转时间对称性的Weyl半金属的存在。这一成果具有重要的现实意义是可能会因为Weyl费米子在拓扑材料中的零质量、高迁移率等特征,带来一场电子学和超导体领域的技术变革。

  陈宇林团队的主要成果是使用角分辨光发射光谱法对铁磁晶体Co3Sn2S2的拓扑结构进行研究,并发现了其表面的费米弧和整个韦尔点的线性体带色散。这些结果证明Co3Sn2S2作为一种磁性韦尔半金属,可以作为实现如手性磁效应、异常大的反常霍尔效应和量子反常霍尔效应等现象的平台。

  Ilya Belopolski团队则是对磁性Co2MnGa的拓扑结构进行研究。观察到磁相中存在的非平凡拓扑不变量的锐体韦尔费米线色散。在磁铁表面观察到电子波函数的鼓形形式,使得能够直接可视化的关键组成部分的体积边界拓扑对应。通过拓扑韦尔费米线相关的曲率场,团队定量地解释了磁体中观测到地巨大反常霍尔响应。结果表明:强相互作用地电子和拓扑结构在量子物质中具有丰富地相互作用。

  Noam Morali团队通过对铁磁半金属Co3Sn2S2的三种不同的表面终止形式的研究,在光谱上证实了Co3Sn2S2是一种反转对称断裂的Weyl半金属。结果表明:三种不同端点施加的不同表面电位改变了费米轮廓和韦尔节点的连通性。在锡(Sn)表面,Noam Morali团队确定了费米弧的intra-Brillouin的Weyl节点链接;在钴(Co)端,连接是跨Brillouin相邻的;在硫表面,费米弧与非拓扑体和 表面态重叠。因此,Noam Morali团队解决了拓扑保护和非保护电子性质的Weyl半金属。

  韦尔费米子最早由德国科学家韦尔于1929年提出。在质量为零(即线性色散)时,狄拉克方程描述的是一对重叠在仪器的具有相反手性的新粒子,这就是韦尔费米子。在之后的近一百年时间里,韦尔费米子一直是一个理论上的概念,没有人在任何材料中找到它的存在。在过去的几十年中,凝聚态物理学取得令人惊喜的发展:相对论现象可以用容易得到的材料模拟,而拓扑学的原理可以应用在物理学中发现具有奇异物理性质的材料。其中一类材料是Weyl半金属(WSMs),这可能导致不寻常的物理现象,甚至会引起理论进步。在固体中,WSMs可以存在于打破时间反转对称性(TRS)、反向对称性(IS)或者两者兼有的晶体中。与IS断裂的WSMs相比,TRS断裂的WSMs为磁性、电子相关性和拓扑序之间的相互作用提供了一个平台,这些相互作用可以产生丰富的奇异量子态,范围从量子反常霍尔效应到轴子绝缘体。

  在介绍拓扑材料之前先了解一下什么是拓扑?拓扑是几何学中的一个概念,是研究几何物体在连续的形变中保存不变化的量,它具有对于细节和连续变化不敏感的特性。将这个概念推广到材料科学中,使用材料的物理量或量子态决定它的拓扑结构。

  拓扑量子材料是近年来物理学研究的热点领域,2016年的诺贝尔物理学奖授予给了戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹和迈克尔·科斯特利茨这三位物理学家,以表彰他们在拓扑相变以及拓扑材料方面的理论发现。同时也说明了拓扑量子材料在基础物理研究中的重要性。

  拓扑材料是指具有面对剧烈的温度变化或结构变形等变化时,能保持其性质、功能等的材料。拓扑材料的发展经历了从理论预测、材料制备和验证三个步骤,在过去的几十年时间获得了空前的成功,同时理论和实验的完美结合又促进了拓扑材料的发展。

  拓扑绝缘体材料是一种内部绝缘表面导电的材料。内部电子能带结构和常规的绝缘体相似,其费米能级介于导带和价带之间。表面有一些特殊的量子态,这些量子态处于带隙之间,允许电荷移动,从而导电。拓扑绝缘体可以表现出与一般绝缘体完全不一样的量子现象与物性,如:拓扑保护的表面态、反弱局域化,量子自旋/反常霍尔效应等。因为拓扑绝缘体的特性,拓扑绝缘体的发展被认为是一种革新性的进步,能够引领下一代的电子技术。有望应用在准零能耗电子器件;电与磁交叉调控,巨大响应、能源器件、拓扑催化剂和核燃料五个方面。家用酸奶机能做出老酸奶吗?www.4887.com

  根据能带交叉点是否在费米能上,可以区分拓扑金属和拓扑半金属。如果该材料的交叉点在费米能上,那么称之为拓扑半金属;如果不在费米能上,称之为拓扑金属。按照能带交叉点的简并情况,可以将拓扑半金属材料分为拓扑狄拉克半金属、外尔半金属、Weyl半金属和Node-Line半金属等。科研工作者对拓扑半金属的研究热情远远大于拓扑金属,主要是由于拓扑半金属元激发在费米能上,其在电子传输中会具有更多独特的性能如较高的载流子迁移率和独特的磁输运性质(如手性负磁阻、巨磁电阻)等特点。

  因为拓扑材料的高迁移率、能带的拓扑稳定性等基本特征,拓扑材料的发展前景广阔。拓扑材料的研究不仅能更深入地了解物质的奇异结构和状态,也对人类社会的发展有一定的促进作用,主要体现在电子学、零能耗电子器件、能源领域、拓扑催化剂等方面。

  电子学:量子物理的发展有助于了解电子在拓扑材料中的迁移规律,可以促进电子学、超导体领域的发展,还能助力未来量子计算机、光子芯片和光子计算机的研发。

  零能耗电子器件:拓扑材料的高迁移率、零质量,对于电子的运输具有重要的作用,有望能促进超导体、半导体材料的发展。

  能源领域:新型金属离子电池、热电转化方向中的应用,未来可能有助于新能源材料的研发。

  拓扑催化剂:较高的电子态密度、高载流子输运速率和适当的热力学稳定性等拓扑材料特性,有望能够应用在水、CO2等的催化分解。



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