最先进的x射线和中子光谱显示，拓扑材料晶体中拓扑奇点的存在使磁性稳定在经典转变温度之上。来源:Ella Maru Studio
研究人员多年来一直在研究某些半金属的电子排列、拓扑结构和磁性，但他们一直很沮丧，因为这些材料只有在冷却到绝对零度以上几度时才会显示出磁性。
由核科学与工程副教授李明达领导的麻省理工学院的一项新研究，由麻省理工学院量子测量组的研究生助理、哈佛大学应用物理学博士生内森·德鲁克(Nathan Drucker)与麻省理工学院量子测量组的研究生Thanh Nguyen和Phum Siriviboon共同撰写，正在挑战传统智慧。
最近发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这项开放获取的研究，首次展示了拓扑结构可以稳定磁有序的证据，即使远高于磁转变温度——磁性通常会分解的温度。
作为该论文的第一作者，德鲁克说:“我喜欢用一个比喻来描述为什么这是有效的，想象一条充满原木的河流，这些原木代表了材料中的磁矩。”“为了使磁力工作，你需要所有的测井曲线都指向同一个方向，或者有一定的模式。但在高温下，磁矩都指向不同的方向，就像木头在河里一样，磁性就会被破坏。
“但在这项研究中重要的是，实际上是水在变化，”他继续说。“我们所展示的是，如果你改变水本身的性质，而不是改变原木，你可以改变原木相互作用的方式，从而产生磁性。”
拓扑在增强磁性中的作用
李说，从本质上讲，这篇论文揭示了在CeAlGe(一种由铈、铝和锗组成的稀有半金属)中发现的被称为Weyl节点的拓扑结构如何显著提高磁性器件的工作温度，为广泛的应用打开了大门。
虽然它们已经被用于制造传感器、陀螺仪等，但拓扑材料已经被广泛地应用于其他领域，从微电子到热电和催化装置。Nguyen说，通过展示一种在更高温度下保持磁性的方法，这项研究为更多的可能性打开了大门。
“在这种材料和其他拓扑材料中，人们已经展示了很多机会，”他说。Siriviboon补充说:“这表明了一种可以显着提高这些材料工作温度的一般方法。”
加州理工学院物理、数学和天文学部门的物理学助理教授Linda Ye补充说，这个“相当令人惊讶和违反直觉”的结果将对未来拓扑材料的研究产生重大影响。
“德鲁克及其合作者的发现既有趣又重要，”没有参与这项研究的叶说。“他们的工作表明，电子拓扑节点不仅在稳定静态磁顺序方面发挥作用，而且更广泛地说，它们可以在磁波动的产生中发挥作用。由此产生的一个自然含义是，拓扑Weyl态对材料的影响可能远远超出之前的想象。”
普林斯顿大学物理学教授Andrei Bernevig对此表示赞同，他称这些发现“令人困惑且引人注目”。
“Weyls节点是已知的拓扑保护，但这种保护对相的热力学性质的影响还不是很清楚，”Andrei Bernevig说，他没有参与这项工作。“麻省理工学院小组的论文表明，在有序温度之上的短程有序是由这个系统中出现的Weyl费米子之间的嵌套波矢量控制的……可能表明Weyl节点的保护在某种程度上影响了磁波动!”
解开磁性之谜
虽然这些令人惊讶的结果挑战了长期以来对磁性和拓扑结构的理解，但李说，它们是仔细实验和团队愿意探索否则可能被忽视的领域的结果。
李解释说:“假设在磁转变温度以上没有新发现。”“我们使用了五种不同的实验方法，能够以一致的方式创造出这个全面的故事，并将这个谜题放在一起。”
为了证明在高温下磁性的存在，研究人员首先将铈、铝和锗在熔炉中结合，形成毫米大小的材料晶体。
然后，这些样品接受了一系列测试，包括导热性和导电性测试，每项测试都揭示了这种材料不寻常的磁性行为的线索。
“但我们也采用了一些更奇特的方法来测试这种材料，”德鲁克说。“我们用一束x射线击中材料，这束x射线被校准到与材料中的铈相同的能级，然后测量光束是如何散射的。
“这些测试必须在一个非常大的设施里进行，在能源部的国家实验室里，”他继续说。“最终，我们不得不在三个不同的国家实验室做类似的实验，以证明那里存在这种隐藏的秩序，这就是我们找到最有力证据的方式。”
Nguyen说，部分挑战在于，在拓扑材料上进行这样的实验通常非常困难，而且通常只能提供间接的证据。
“在这种情况下，我们所做的是使用不同的探针进行几个实验，并将它们放在一起，这给了我们一个非常全面的故事，”他说。“在这种情况下，有五六种不同的线索，以及一大堆仪器和测量方法，这些都在这项研究中发挥了作用。”
影响及未来方向
展望未来，李说，该团队计划探索拓扑和磁性之间的关系是否可以在其他材料中得到证明。
他说:“我们相信这个原则是通用的。”“所以我们认为这可能存在于许多其他材料中，这是令人兴奋的，因为它扩展了我们对拓扑学的理解。我们知道它可以在增加导电性方面发挥作用，现在我们已经证明它也可以在磁性方面发挥作用。”
李说，未来的额外工作还将解决拓扑材料的可能应用，包括它们在热电器件中的应用，将热量转化为电能。虽然这种设备已经被用于为手表等小型设备供电，但它们的效率还不足以为手机或其他更大的设备供电。
“我们已经研究了许多好的热电材料，它们都是拓扑材料，”李说。“如果他们能在磁性上表现出这种性能……他们将解锁非常好的热电性能。例如，这将有助于它们在更高的温度下运行。目前，许多发电厂只能在非常低的温度下运行，以收集废热。这样做的一个非常自然的结果就是它们能够在更高的温度下工作。”
更好地理解拓扑材料
最后，德鲁克说，这项研究指出了一个事实，即虽然拓扑半金属已经研究了很多年，但对它们的性质了解相对较少。
德鲁克说:“我认为我们的工作强调了这样一个事实，即当你观察这些不同的尺度并使用不同的实验来研究这些材料时，实际上有一些非常重要的热电、电和磁特性开始出现。”“因此，我认为这不仅为我们如何将这些东西用于不同的应用提供了线索，而且还为其他基础研究提供了线索，以跟进我们如何更好地理解热波动的这些影响。”
DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 40765 - 1
这项工作得到了美国能源部，科学办公室，基础能源科学;美国国家科学基金会(NSF)设计材料以革新和工程我们的未来计划;以及NSF融合加速器奖。
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我是文学号的签约作者“洲恺”！
希望本篇文章《磁性重新想象：麻省理工学院拓扑学的开创性进展》能对你有所帮助！
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