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稱的交錯的角共享三角形。

如果一個金屬或其他導(dǎo)電材料在原子尺度上看起來像這樣的戈薇樣式，每個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)和勞倫斯伯克利國家實驗室的物理學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表文章稱，他們首次開發(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)電流通過晶體內(nèi)的戈薇層傳遞時，研究人員發(fā)現(xiàn)，原子的三角形排列會在傳遞電流中誘發(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，通過二維材料流動的電子將會呈現(xiàn)一個手性的拓?fù)錉顟B(tài)。在這個狀態(tài)下，它們會彎曲成緊密的、圓形的路徑，沿著邊緣流動而且不會損失任何能量。

“通過構(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，“晶體中的電荷不僅能感受到來自這些原子的磁場，而且還能感受到來自晶格的純量子力學(xué)磁力。在未來的材料中，這可能會導(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)、愛因斯坦闡明的光電效應(yīng)的一種高級版本，來測量晶體內(nèi)的能量譜。

“從根本上說，電子首先從材料表面噴射出來，然后以起飛角和動能的函數(shù)形式被檢測。” 麻省理工學(xué)院的助理物理教授Riccardo Comin說，“圖像結(jié)果是電子能級被電子占據(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的方式，表明最初無質(zhì)量的電子獲得了相對論質(zhì)量，類似于稱為大型狄拉克費米子的粒子。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，形成一個大型的局部電場。當(dāng)外電流流過時，它會以磁場的形式感應(yīng)到錫的電場，從而產(chǎn)生偏離。

研究團隊由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。這個團隊還包括了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·伯克利國家實驗室的Eli Rotenberg。

不需要煉金術(shù)

多年來，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)固有的磁性可能會驅(qū)使這種行為。” 此時正在東京大學(xué)進(jìn)行研究的Checkelsky說。這就不需要實驗室產(chǎn)生的磁場了。正常情況下為了觀察這一現(xiàn)象所需的實驗室磁場是地球磁場的100萬倍。

“一些研究小組能夠以這種方式誘導(dǎo)量子霍爾效應(yīng)，但仍在絕對零度以上幾度的極端溫度下。這是將磁場硬塞進(jìn)正常情況下不會發(fā)生這種現(xiàn)象的材料中。”Checkelsky說。

在麻省理工學(xué)院，Checkelsky轉(zhuǎn)而尋求用內(nèi)在磁力驅(qū)動這種行為的方法。由Evelyn Tang博士和Xiao-Gang Wen教授的博士工作所激發(fā)的一個重要的見解，就是在戈薇點中追求這種行為。為了實現(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排列。然后她將晶體浸入一個冰浴中，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。

向零損耗邁進(jìn)

在研究人員成功地培育出了數(shù)個直徑約為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每個晶體中的各個原子層進(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，鐵原子位于每個三角形的角上，而一個錫原子位于交錯三角形之間的較大的六邊形空間內(nèi)。

然后Ye將一股電流通過晶體層，通過他們所創(chuàng)造的電壓來觀察它們的流動。她了解到，無論晶體的三維性質(zhì)如何，電荷都以二維的方式偏轉(zhuǎn)。最終的證明來自于第一作者Kang的光電子實驗，他和LBNL團隊一起證明了電子光譜與有效的2D電子相對應(yīng)。

“當(dāng)我們仔細(xì)觀察電子帶時，我們注意到一些不尋常的東西，”Kang補充道。“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)言過的，但在這些系統(tǒng)中從未見過。”

這種材料在交織磁場和拓?fù)浞矫娴莫毺啬芰Ρ砻魉鼈兒芸赡軙a(chǎn)生其他的意外現(xiàn)象。我們的下一個目標(biāo)是探測和操縱邊緣狀態(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，該團隊將探索如何穩(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，不僅可以用來嘗試零能耗的設(shè)備，比如無耗散的電力線，還可以用來研究量子計算的應(yīng)用。

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

這項研究得到了戈登與貝蒂·摩爾基金會和國家科學(xué)基金會的支持。