以復(fù)雜的日本籃子圖案命名，kagome磁體被認(rèn)為具有電子特性，可能對(duì)未來(lái)的量子器件和應(yīng)用有價(jià)值。理論預(yù)測(cè)這些材料中的一些電子具有奇異的，所謂的拓?fù)湫袨?，而其他電子的行為有點(diǎn)像石墨烯，另一種材料因其新型電子產(chǎn)品的潛力而備受推崇。

現(xiàn)在，由普林斯頓大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際團(tuán)隊(duì)觀察到，這些磁體中的一些電子表現(xiàn)為集體，就像一個(gè)幾乎無(wú)限大質(zhì)量的電子，它具有奇異的磁性，而非單個(gè)粒子。這項(xiàng)研究發(fā)表在本周的自然物理雜志上。

該團(tuán)隊(duì)還表明，將kagome磁體放置在高磁場(chǎng)中會(huì)導(dǎo)致磁性方向反轉(zhuǎn)。這種“負(fù)磁性”類(lèi)似于指向南方而不是北方的指南針，或突然拒絕堅(jiān)持的冰箱磁鐵。

普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授尤金·希金斯說(shuō)，“我們一直在尋找能夠長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)電的超大質(zhì)量'平帶'電子，最后我們找到了它們。”帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)。“在這個(gè)系統(tǒng)中，我們還發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)部量子相位效應(yīng)，一些電子與磁場(chǎng)相反排列，產(chǎn)生負(fù)磁性。”

該團(tuán)隊(duì)探索了原子如何在水晶中以kagome圖案排列，產(chǎn)生了奇特的電子特性，這些特性可以帶來(lái)現(xiàn)實(shí)世界的好處，例如超導(dǎo)性，它可以讓電流不受損失地流動(dòng)，或者可以控制在量子上的磁力用于未來(lái)電子產(chǎn)品的水平。

研究人員使用最先進(jìn)的掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)(STM / S)來(lái)觀察由鈷和錫制成的kagome圖案晶體中的電子行為，夾在兩層硫原子之間，這是進(jìn)一步的夾在兩層錫之間。

在kagome層中，鈷原子在六邊形周?chē)纬扇切?，中心具有錫原子。這種幾何形狀迫使電子進(jìn)入一些不舒服的位置 - 這種類(lèi)型的材料被稱為“受挫的磁鐵”。

為了探索這種結(jié)構(gòu)中的電子行為，研究人員對(duì)頂層進(jìn)行了切口，以揭示下方的kagome層。

然后，他們使用STM / S技術(shù)檢測(cè)每個(gè)電子的能量分布或能帶結(jié)構(gòu)。帶結(jié)構(gòu)描述了電子在晶體中可以具有的能量范圍，并且解釋了例如為什么一些材料導(dǎo)電而另一些是絕緣體。研究人員發(fā)現(xiàn)，kagome層中的一些電子具有帶狀結(jié)構(gòu)，而不是像大多數(shù)材料那樣彎曲，而是扁平的。

平帶結(jié)構(gòu)表明電子具有的有效質(zhì)量大到幾乎無(wú)窮大。在這種狀態(tài)下，顆粒共同作用而不是作為單獨(dú)的顆粒。

理論長(zhǎng)期以來(lái)預(yù)測(cè)kagome模式將產(chǎn)生平帶結(jié)構(gòu)，但這項(xiàng)研究是這種系統(tǒng)中第一次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)平帶電子。

隨后的一般預(yù)測(cè)之一是具有扁平帶的材料可能表現(xiàn)出負(fù)磁性。

實(shí)際上，在目前的研究中，當(dāng)研究人員應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，一些kagome磁體的電子指向相反的方向。

“無(wú)論是向上還是向下施加電場(chǎng)，電子的能量都向同一方向翻轉(zhuǎn)，這是實(shí)驗(yàn)中第一件奇怪的事情，”物理學(xué)研究生和三人之一的Songtian Sonia Zhang說(shuō)。 - 論文的第一作者。

“這讓我們困惑了大約三個(gè)月，”博士研究助理兼另一位共同第一作者尹家新說(shuō)。“我們正在尋找原因，并且我們的合作者們意識(shí)到這是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明這個(gè)kagome晶格中的平帶峰具有負(fù)磁矩。”

研究人員發(fā)現(xiàn)負(fù)磁性是由于kagome扁平帶，稱為自旋軌道耦合的量子現(xiàn)象，磁性和稱為Berry曲率場(chǎng)的量子因子之間的關(guān)系而產(chǎn)生的。自旋軌道耦合指的是電子自旋是電子的量子特性的電子旋轉(zhuǎn)與電子的軌道旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)的情況。自旋 - 軌道耦合和材料的磁性結(jié)合導(dǎo)致所有電子在鎖定步驟中表現(xiàn)，就像巨大的單個(gè)粒子一樣。

緊密耦合的自旋 - 軌道相互作用產(chǎn)生的另一個(gè)有趣的行為是拓?fù)湫袨榈某霈F(xiàn)。作為2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的主題，拓?fù)洳牧峡梢允闺娮釉谄浔砻嫔蠠o(wú)阻力地流動(dòng)，并且是研究的活躍領(lǐng)域。鈷 - 錫 - 硫材料是拓?fù)湎到y(tǒng)的一個(gè)例子。

二維圖案化的晶格可以具有其他期望類(lèi)型的電子傳導(dǎo)性。例如，石墨烯是一種碳原子模式，在過(guò)去的二十年中，它對(duì)電子應(yīng)用產(chǎn)生了相當(dāng)大的興趣。kagome晶格的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電子與石墨烯中的電子相似。