磁拓扑绝缘体产生自己的磁场

美国和韩国物理学家团队发现了第一个证据表明二维材料可以成为磁拓扑绝缘体，即使它不是放在磁场中也是如此。

“移动电子的许多不同的量子和相对论性石墨烯是已知的，人们一直有兴趣，‘我们可以在具有相似结构的磁性材料看到这些?’”莱斯大学的说 鹏程戴，一个的合着者 学习 有关材料发表在美国物理学会期刊PRX上。

戴先生的团队包括来自赖斯，韩国大学，橡树岭国家实验室(ORNL)和国家标准与技术研究所的科学家，他说新研究中使用的三碘化铬(CrI3)就像石墨烯的蜂窝状，但是它是一个磁性蜂窝。“

在ORNL的散裂中子源的实验中 ，CrI3样品被中子轰击。在测试期间进行的光谱分析显示存在称为磁子的集体自旋激发。 旋转是所有量子物体的固有特征，是磁性的核心参与者，而磁子代表了铬原子上电子的一种特定的集体行为。

“此的结构 磁振子，磁波如何在此材料周围移动时，非常类似于如何电子波在石墨烯走动，”戴，物理和天文学教授和水稻的中心量子材料(的成员，所述RCQM)。

石墨烯和CrI3都含有 狄拉克点，它们仅存在于某些二维材料的电子能带结构中。以20世纪20年代帮助调和量子力学和广义相对论的保罗狄拉克命名 ，狄拉克点是电子以相对论速度运动并且表现得像零质量的特征。狄拉克的研究工作在物理学家对二维拓扑绝缘体中电子自旋和电子行为的理解中发挥了关键作用，二维拓扑绝缘体是吸引2016年诺贝尔物理学奖的奇异材料 。

电子不能流过 拓扑绝缘体，但可以在“边缘模式”高速公路上绕其一维边缘拉链。这些材料的名称来自一个被称为拓扑学的数学分支，2016年诺贝尔奖获得者Duncan Haldane曾在一篇开创性的1988年论文中用来解释边缘模式传导，该论文的特点是2D蜂窝模型的结构与石墨烯和CrI3非常相似。

“狄拉克点是电子像光子一样移动的地方，有效质量为零，如果它们沿着拓扑边缘移动，就没有阻力，”研究的共同作者，赖斯的客座教授Jae-Ho Chung说。韩国首尔韩国大学物理系 “这是无耗散自旋电子应用的重点。”

自旋电子学 是固态电子学界的一项不断发展的运动，旨在为计算，通信和信息存储等创建基于旋转的技术。Chung说，具有磁子边缘状态的拓扑绝缘体比具有电子边缘状态的拓扑绝缘体具有优势，因为磁性版本不会产生热量。

严格来说，磁铁不是粒子而是 准粒子，是由许多其他粒子的行为引起的集体激发。类比将是人们有时在体育场馆中表演的“浪潮”。看着一个扇子，人们只会看到一个人定期站立，举起手臂并坐下来。只有通过观察整个人群才能看到“波浪”。

“如果你只观察一个电子自旋，它看起来就像是随机振动，”Chung说。“但根据固态物理学的原理，这种明显随机的摆动是由精确的波浪，明确定义的波浪组成的。并且你拥有多少波并不重要，只有一个特定的波将表现得像一个光子。这就是所谓的狄拉克点所发生的事情。其他一切只是一个简单的自旋波。只有在这个狄拉克点附近，磁铁才会像光子一样。“

戴说，CrI3中拓扑自旋激发的证据特别有趣，因为这是第一次在没有施加外部磁场的情况下看到这样的证据。

“过去曾有一篇论文通过施加磁场观察到类似情况，但我们的论文是零视野中的第一次观察，”他说。“我们相信这是因为材料具有允许这种情况发生的内部磁场。”

Dai和Chung说，内部磁场是由电子以接近铬和碘原子核中质子的近似相对速度运动而产生的。

“这些电子正在自行移动，但由于相对性，在他们的参考框架中，他们并不觉得他们正在移动，”戴说。“他们只是站在那里，周围的环境非常快。”

Chung说：“这个动作实际上感觉周围的正电荷是一个绕着电流移动的电流，并且伴随着电子的旋转，产生了磁场。”

戴说，ORNL的测试包括将CrI3样品冷却到60开尔文以下并用中子轰击它们，中子也有磁矩。通过足够接近样品中的电子的中子可以激发可以用光谱仪读取的自旋波激发。

“我们测量了自旋波的传播方式，”他说。“从本质上讲，当你扭转这一旋转时，其他旋转的反应是多少。”

为确保中子与样品充分相互作用，赖斯研究生和研究主要作者Lebing Chen花了三个月时间完善了在高温炉中生产CrI3平板的配方。每个样品的烹饪时间约为10天，并且控制炉内温度变化证明是关键的。配方完善后，陈必须辛苦地堆叠，对齐并将40层材料粘合在一起。因为每层中的六边形必须精确对准，并且只能通过劳厄X射线衍射确认对准 ，每次小的调整可能需要一个小时或更长时间。

“我们还没有证明有拓扑运输，”戴说。“由于拥有了我们拥有的光谱，我们现在可以说它可以有这种边缘模式，但我们还没有看到有边缘模式。”