科学家发现手性晶体表现出奇异的量子效应。

科学家发现手性晶体表现出奇异的量子效应。

具有“手性”的晶体表现出不寻常的特性。新的证据表明,它们可以像慢光一样承载电子运动,它们的集体行为模仿磁单极子。

图片说明:这张图片显示了铑硅晶体样品中表面费米弧的重复二维图案。普林斯顿大学哈桑实验室的图片

一个国际研究小组发现,某些具有不对称性的晶体,如生物学上的“手性”,即手性晶体,可能含有以意想不到的方式工作的电子。

领导这项研究的普林斯顿大学尤金·希金斯物理教授M.Zahid Hasan说:“在我们的研究之前,很少研究手性晶体中电子的量子级特性。”“这项决定性的工作为拓扑材料的探索开辟了一片新大陆。”

手性,也称为手性,是所有不能叠加在镜像上的物体的共同物理性质。它出现在日常用品中,如手套、鞋子、螺丝钉和多层停车库。手性晶体由于其磁性、光学、导电性,特别是其拓扑性质,引起了物理学家的极大兴趣。2016年,普林斯顿的谢尔曼-费尔奇尔德大学物理教授邓肯-霍尔丹因其预测拓扑材料性质的理论而获得诺贝尔物理学奖。

哈桑说:“物质的拓扑性质已经成为现代物理学中最受欢迎的珍宝之一,无论从根本上看,还是从下一代量子和纳米技术中寻找潜在的应用。”

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左:这张图显示了电子是如何分布在拓扑手性晶体的表面上的。沿对角线延伸的线是“费米弧”量子态,揭示了电子的拓扑行为。表面费米弧是一种定义拓扑导电性的性质——与材料表面的导电性有关——在这些拓扑手性晶体中,这种导电性比在先前确定的拓扑金属中观察到的导电性大100倍。右图:这些拓扑手性晶体中电子分布的三维图像显示了螺旋状弧量子态模式。

在2018年10月的一篇文章中,哈桑的团队提出了一个理论,该理论弥合了晶体的物理手性和电子在这些晶体中的行为之间的鸿沟,无论是量子力学还是根据拓扑的数学定律。研究人员惊奇地发现,所有非磁性手性晶体都具有普遍的拓扑量子性质:所有的电子结构都具有由韦尔方程(一个量子运动方程)控制的带接触点。物理学家赫尔曼·韦尔于1929年在普林斯顿预言了粒子的这种行为。

现在,通过使用晶体的群论,哈桑的团队已经确定手性晶体能够承载新形式的weyl费米子——电子的集体行为就像它们是无质量的——他们称之为“手性费米子”。该团队将这些想法应用到手性晶体中,并发现了有关手性费米子的意想不到的结果。EIR的电子、光学和拓扑行为,促使人们将其命名为“拓扑手性晶体”。研究人员进一步惊讶地发现,这些拓扑手性晶体可以表现出独特的现象,如大费米弧和电子自旋,它们共同表现为磁单极。

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