量子材料领域十年难题破解：理想外尔半金属首次合成
发布时间: 2025-01-28 08:49:54
由日本理化学研究所新兴物质科学研究中心强关联量子输运实验室领导的国际团队，首次成功合成了理想的外尔半金属，标志着困扰量子材料领域十年的难题取得突破性进展。相关研究成果发表于最新一期《自然》杂志。
研究示意图。图片来源：《自然》杂志
外尔费米子是由晶体中电子的集体量子激发产生的。据预测，它们能展现出奇异的电磁特性，因此引起全球范围内的广泛关注。
科学家在过去十年中对数千种晶体进行了深入研究，但大多数外尔半金属的电导性主要由不具备拓扑或特殊性质的电子主导，从而掩盖了外尔费米子的行为。此次，团队终于合成了一种仅含有一对外尔费米子且不存在无关电子态的金属材料。
团队从拓扑半导体中设计出了外尔半金属。这一策略最初于2011年从理论上提出，但随后被学界搁置。
半导体具有较小的“能隙”，使其能够在绝缘态和导电态之间切换，成为商用晶体管的基础。半金属可以看作是一种极限的半导体，其“能隙”为零，处于绝缘体和金属之间的临界点。在现实材料中，这种极端情况极为罕见。最著名的例子可能是石墨烯，已在莫尔物理学和柔性电子学中得到应用。
该研究中使用的拓扑半导体为碲化铋。团队以高度可控的方式调整了材料的化学成分，用铬替代了铋，从而合成了（Cr,Bi）2Te3。他们对这种材料中巨大的反常霍尔效应感到好奇，因为它预示着拓扑半导体之外的新物理现象。
与以往的外尔半金属不同，（Cr,Bi）2Te3独特的简单电子结构使团队能够利用精确的理论定量解释实验，并根据出现的巨大反常霍尔效应做出推断。团队表示，这一现象正是由材料内部新出现的外尔费米子所引起。
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