凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系，因為新的物理學(xué)通常是在具有特殊原子排列的材料中發(fā)現(xiàn)的。在空間中具有原子重復(fù)單元的晶體可以具有特殊的圖案，從而產(chǎn)生奇異的物理特性。具有多種外來特性的材料特別令人興奮，因為它們?yōu)榭茖W(xué)家提供了研究這些特性如何相互作用和相互影響的機會。這些組合會引起意想不到的現(xiàn)象，并增加基礎(chǔ)技術(shù)研究的時間。

在本周《科學(xué)進展》上發(fā)表的一項新研究中，由美國，哥倫比亞，捷克共和國，英國組成的國際科學(xué)家團隊由德國馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的Mazhar N. Ali博士領(lǐng)導(dǎo)，表明：一種新材料，KV 3 Sb 5，具有前所未有的特性組合，從而導(dǎo)致有史以來最大的異常霍爾效應(yīng)(AHE)之一;每2開爾文每厘米15,500西門子。

KV 3 Sb 5在約翰·霍普金斯大學(xué)的合著者Tyrel McQueen教授的實驗室中發(fā)現(xiàn)，將四種特性組合為一種材料：狄拉克物理學(xué)，金屬沮喪的磁性，二維剝落性(如石墨烯)和化學(xué)穩(wěn)定性。

在這種情況下，狄拉克物理學(xué)涉及一個事實，即KV 3 Sb 5中的電子不僅是正常的電子。它們的移動速度非常快，有效質(zhì)量非常低。這意味著他們的行為“像光”。它們的速度變得可以與光速相提并論，它們的表現(xiàn)似乎只占其應(yīng)有質(zhì)量的一小部分。這導(dǎo)致該材料是高度金屬的，大約在15年前首次在石墨烯中顯示。

當(dāng)材料中的磁矩(想象成很小的條形磁鐵，當(dāng)您將它們聚集在一起時會相互旋轉(zhuǎn)并從北向南排列)時，就會產(chǎn)生“沮喪的磁性” ，例如三角網(wǎng)。這種情況可能會使條形磁鐵難以對齊，以致它們彼此抵消并且穩(wěn)定。具有這種特性的材料很少見，尤其是金屬材料。大多數(shù)沮喪的磁體材料都是電絕緣體，這意味著它們的電子是不可移動的。阿里博士說：“幾十年來，金屬制受挫磁體一直受到人們的追捧。據(jù)預(yù)測，它們可以容納非常規(guī)的超導(dǎo)性，馬約拉納費米子，可用于量子計算等等。”

在結(jié)構(gòu)上，KV 3 Sb 5具有二維分層結(jié)構(gòu)，其中三角形釩和銻層松散地堆疊在鉀層的頂部。這使作者可以簡單地使用膠帶一次剝離幾層(又稱薄片)。“這非常重要，因為它允許我們使用電子束光刻(例如用于制造計算機芯片，但使用電子而不是光子的光刻技術(shù))從薄片中制造出微型設(shè)備并測量人們不容易大量測量的特性。”主要作者楊碩英評論說，來自馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的研究人員說：“我們很高興發(fā)現(xiàn)薄片對制造過程非常穩(wěn)定，這使得使用和探索許多特性相對容易”。

有了這些特性組合，團隊首先選擇在材料中尋找異常的霍爾效應(yīng)(AHE)。這種現(xiàn)象是具有各種電場(但沒有磁場)的材料中的電子可以通過各種機制偏轉(zhuǎn)90度。“從理論上講，具有三角形自旋排列的金屬可能具有顯著的外在效應(yīng)，因此這是一個很好的起點。”楊說。通過使用角分辨光電子能譜，微器件制造和低溫電子性能測量系統(tǒng)，碩英和合著者王家佳(馬克斯·普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所)能夠觀察到有史以來最大的AHE。

AHE可以分為兩大類：內(nèi)在的和外在的。阿里解釋說：“內(nèi)在機制就像足球運動員通過將球或電子彎曲到一些防守球員周圍(而不與他們碰撞)而傳給隊友一樣。” “外在性就像球從防御者或磁散射中心彈起，并在碰撞后移向側(cè)面。許多非本征控制的材料在場上隨機排列防御者，或者磁散射中心在整個晶體中隨機稀釋。 KV 3銻5特殊之處在于，它具有3個排列成三角形網(wǎng)狀的磁散射中心。在這種情況下，球從防御者群中散開，而不是從單個防御者中散開，并且比只有一個阻礙者更容易向側(cè)面飛。”

這本質(zhì)上是理論上自旋簇偏斜散射AHE機理，作者在本材料中對此進行了證明。阿里補充說：“無論如何，進入的球擊中球簇的條件似乎很重要;你或我踢球與克里斯蒂安諾·羅納爾多踢過球并不相同。” “羅納爾多踢它時，它以更快的速度移動并以更快的速度從團簇中反彈出來，移動到側(cè)面的速度比任何普通人都踢過它要快。這是籠統(tǒng)地說，狄拉克準粒子之間的區(qū)別(羅納爾多(Ronaldo)與正常的電子(普通人)的關(guān)系，與為什么我們看到這么大的AHE有關(guān)，”阿里笑著解釋道。

這些結(jié)果還可以幫助科學(xué)家通過這種成分的組合來識別其他材料。Wang指出：“重要的是，支配此AHE的相同物理學(xué)也可能會產(chǎn)生非常大的自旋霍爾效應(yīng)(SHE)-在此，不是產(chǎn)生正交電荷電流，而是產(chǎn)生正交自旋電流。” “這對于基于電子自旋而不是電荷的下一代計算技術(shù)很重要”。

“這對我們來說是一種新的運動場材料：金屬狄拉克物理學(xué)，沮喪的磁性，可剝落的和化學(xué)穩(wěn)定的特性合而為一。有很多機會探索有趣，怪異的現(xiàn)象，例如非常規(guī)的超導(dǎo)性等等，”阿里興奮地說道。 。