赫斯勒、外尔和贝里:三位科学大师在一类新的材料中相遇

作者: 原理

来源: PLANCK INSTITUTE

发布日期: 2018-10-12

三位科学大师赫斯勒、外尔和贝里的研究在材料科学、拓扑学和凝聚态物理领域带来了重要的新洞见。最近,这些领域被结合在一起,因为研究人员在一类新的材料中发现了一些新的量子性质,这些性质可能使包括计算技术和催化在内的新科学成为可能。赫斯勒化合物,作为一种磁性材料,展示了非凡的拓扑性质,开辟了新的物理学领域。外尔费米子和贝里曲率等概念的应用,揭示了这些材料中的奇点及其对拓扑结构的影响。

赫斯勒(Fritz Heusler,1866-1947)、外尔(Hermann Weyl,1885-1955)和贝里(Michael Berry,1941-)是三位杰出的科研工作者,他们在不同领域的研究为材料科学、拓扑学和凝聚态物理带来了重要的新洞见。最近,这三个科学领域被结合到了一起。因为研究人员在一类新的材料中发现了一些新的量子性质,这些性质可以使包括计算技术和催化在内的新科学成为可能。

赫斯勒是大部分磁性化合物的发现者,这类化合物被称为赫斯勒化合物,是人们曾经非常感兴趣的一类磁性材料。最近有科学家发现,这些化合物具有非凡的拓扑性质,足以开辟出一个全新的物理学领域。在这些材料的能带结构中,隐藏着许多的奇点,而这些奇点恰好可以用外尔所提出的数学工具来描述。这些奇点与现在被称为外尔费米子的准粒子的发现有关。

科学家并没能在高能物理的基本粒子中发现外尔费米子,但是他们相信,这些粒子存在于固体材料中,并决定着这些材料的拓扑结构。

第三个名字贝里代表的是能揭示现有物理学的可测量效应。在某些定义明确的条件下,存在一个类似于磁场的矢量场,名为贝里曲率(Berry curvature)。它决定着许多重要效应的强度,例如反常霍尔效应、自旋霍尔效应等等。要让这三个领域结合在一起,需依靠实验学家在掌控材料方面的高超技艺,他们必须适当地调整材料从而调节贝里曲率,进而让拓扑结构得以显现。

最近,一篇刊登于《自然综述-材料》上的文章列举了大量关于赫斯勒化合物的各种对称性的例子。赫斯勒化合物是一大类能很容易调谐以显示出铁磁性、反铁磁性、非共线磁序或补偿性磁序的材料。

这些磁序能引发明显的电效应和热电效应,研究人员解释了这些效应的特征,包括颗粒状涡旋自旋结构,以及在部分赫斯勒化合物中很典型的反斯格明子(antiskyrmion,斯格明子skyrmion是由英国物理学家Tony Skyrme于在理论上得出的一种拓扑孤立子,现在多磁性材料中的斯格明子)。

考虑到现有的大量无机化合物,以及最近提出的大量非磁性拓扑材料,赫斯勒化合物可以作为理解磁性对拓扑的影响的一种模型系统。由于不同手性的外尔点之间间隔较大,通过磁性或外部磁场打破时间反演对称性能导致比在非磁性材料中更显著的效应。基于对赫斯勒材料的系统研究,科学家预测将存在大量有待发现的磁性拓扑材料。

在应用方面,由于赫斯勒化合物及其相关材料的较高居里温度(磁性转变点,指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度),因而能具有很大的能斯特效应,以及室温下的经典和量子霍尔效应,这些效应或许能让赫斯勒化合物在自旋电子学或量子计算的能量转换和量子电子器件方面产生巨大的影响。

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