以復(fù)雜的日本籃子圖案命名，kagome磁體被認為具有電子特性，可能對未來的量子器件和應(yīng)用有價值。理論預(yù)測這些材料中的一些電子具有奇異的，所謂的拓撲行為，而其他電子的行為有點像石墨烯，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)的一個國際團隊觀察到，這些磁體中的一些電子表現(xiàn)為集體，就像一個幾乎無限大質(zhì)量的電子，它具有奇異的磁性，而非單個粒子。這項研究發(fā)表在本周的自然物理雜志上。

該團隊還表明，將kagome磁體放置在高磁場中會導(dǎo)致磁性方向反轉(zhuǎn)。這種“負磁性”類似于指向南方而不是北方的指南針，或突然拒絕堅持的冰箱磁鐵。

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

該團隊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，這些特性可以帶來現(xiàn)實世界的好處，例如超導(dǎo)性，它可以讓電流不受損失地流動，或者可以控制在量子上的磁力用于未來電子產(chǎn)品的水平。

研究人員使用最先進的掃描隧道顯微鏡和光譜學(xué)(STM / S)來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，這是進一步的夾在兩層錫之間。

在kagome層中，鈷原子在六邊形周圍形成三角形，中心具有錫原子。這種幾何形狀迫使電子進入一些不舒服的位置 - 這種類型的材料被稱為“受挫的磁鐵”。

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

然后，他們使用STM / S技術(shù)檢測每個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)量大到幾乎無窮大。在這種狀態(tài)下，顆粒共同作用而不是作為單獨的顆粒。

理論長期以來預(yù)測kagome模式將產(chǎn)生平帶結(jié)構(gòu)，但這項研究是這種系統(tǒng)中第一次實驗檢測平帶電子。

隨后的一般預(yù)測之一是具有扁平帶的材料可能表現(xiàn)出負磁性。

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

“無論是向上還是向下施加電場，電子的能量都向同一方向翻轉(zhuǎn)，這是實驗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。 - 論文的第一作者。

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

研究人員發(fā)現(xiàn)負磁性是由于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)，就像巨大的單個粒子一樣。

緊密耦合的自旋 - 軌道相互作用產(chǎn)生的另一個有趣的行為是拓撲行為的出現(xiàn)。作為2016年諾貝爾物理學(xué)獎的主題，拓撲材料可以使電子在其表面上無阻力地流動，并且是研究的活躍領(lǐng)域。鈷 - 錫 - 硫材料是拓撲系統(tǒng)的一個例子。

二維圖案化的晶格可以具有其他期望類型的電子傳導(dǎo)性。例如，石墨烯是一種碳原子模式，在過去的二十年中，它對電子應(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。