通过拓扑实现更多磁性

多年来一直致力于了解电子排列或拓扑结构以及某些半金属磁性的研究人员对这样一个事实感到沮丧，即这些材料只有在冷却到绝对零度以上几度时才显示出磁性。

由核科学与工程副教授Mingda Li领导的一项新的麻省理工学院研究，由麻省理工学院量子测量小组研究生研究助理，哈佛大学应用物理学博士生Nathan Drucker以及麻省理工学院量子测量小组的研究生Thanh Nguyen和Phum Siriviboon共同撰写，正在挑战传统智慧。

这项发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的开放获取研究首次表明，拓扑结构可以稳定磁序，甚至远高于磁转变温度——磁通常分解的点。

“我喜欢用来描述为什么会起作用的类比是想象一条充满原木的河流，它代表了材料中的磁矩，”德鲁克说，他是该论文的第一作者。“要使磁性发挥作用，你需要所有这些指向同一方向的原木，或者对它们有一定的模式。但在高温下，磁矩都朝向不同的方向，就像原木在河里一样，磁性就会分解。

“但这项研究中重要的是，实际上是水在变化，”他继续说道。“我们展示的是，如果你改变水本身的特性，而不是原木，你可以改变原木之间的相互作用方式，从而导致磁性。

拓扑和磁性之间的惊人联系

李说，从本质上讲，这篇论文揭示了在CeAlGe（一种由铈，铝和锗组成的奇异半金属）中发现的称为Weyl节点的拓扑结构如何显着提高磁性器件的工作温度，为广泛的应用打开大门。

虽然拓扑材料已经被用于制造传感器、陀螺仪等，但拓扑材料已被关注用于广泛的其他应用，从微电子到热电和催化设备。Nguyen说，通过展示一种在明显更高的温度下保持磁性的方法，这项研究为更多的可能性打开了大门。

“人们已经展示了很多机会 – 在这种材料和其他拓扑材料中，”他说。“这表明了一种可以显着提高这些材料工作温度的一般方法，”Siriviboon补充道。

这个“相当令人惊讶和违反直觉”的结果将对未来的拓扑材料工作产生重大影响，加州理工学院物理，数学和天文学系物理学助理教授Linda Ye补充道。

“德鲁克和合作者的发现是有趣和重要的，”叶说，他没有参与这项研究。“他们的工作表明，电子拓扑节点不仅在稳定静态磁序方面发挥作用，而且更广泛地说，它们可以在磁波动的产生中发挥作用。由此产生的一个自然含义是，拓扑外尔态对材料的影响可以远远超出以前认为的范围。

普林斯顿大学物理学教授安德烈·伯内维格（Andrei Bernevig）对此表示赞同，称这些发现“令人费解且引人注目”。

“已知Weyls节点受到拓扑保护，但这种保护对相热力学特性的影响尚不清楚，”没有参与这项工作的Andrei Bernevig说。“麻省理工学院小组的论文表明，高于有序温度的短程有序由该系统中出现的外尔费米子之间的嵌套波矢量控制……可能表明对Weyl节点的保护以某种方式影响了磁波动！

虽然令人惊讶的结果挑战了长期以来对磁性和拓扑学的理解，但李说，它们是仔细实验的结果，也是团队愿意探索可能被忽视的领域的结果。

“当时的假设是，在磁跃迁温度之上没有什么新发现，”李解释说。“我们使用了五种不同的实验方法，能够以一致的方式创建这个全面的故事，并将这个难题放在一起。

整理线索

为了证明在较高温度下磁性的存在，该团队首先在炉子中结合铈，铝和锗，以形成毫米大小的材料晶体。

然后对这些样品进行一系列测试，包括热导率和导电性测试，每个测试都揭示了材料异常磁性行为的线索。

“但我们也采取了一些更奇特的方法来测试这种材料，”德鲁克说。“我们用一束X射线击中材料，该射线被校准到与材料中的铈相同的能级，然后测量该光束如何散射。

“这些测试必须在一个非常大的设施中完成，在能源部国家实验室，”他继续说道。“最终，我们不得不在三个不同的国家实验室进行类似的实验，以证明那里存在这种隐藏的秩序，这就是我们找到最有力证据的方式。

Nguyen说，部分挑战在于，在拓扑材料上进行此类实验通常非常困难，通常只能提供间接证据。

“在这种情况下，我们所做的是使用不同的探针进行几次实验，将它们放在一起，这给了我们一个非常全面的故事，”他说。“在这种情况下，它是五六个不同的线索，以及一大堆仪器和测量结果。

为未来学习打开大门

李说，展望未来，该团队计划探索拓扑和磁性之间的关系是否可以在其他材料中得到证明。

“我们相信这个原则是普遍的，”他说。“所以我们认为这可能存在于许多其他材料中，这令人兴奋，因为它扩展了我们对拓扑学可以做什么的理解。我们知道它可以在增加导电性方面发挥作用，现在我们已经证明它也可以在磁性中发挥作用。

李说，未来的其他工作还将解决拓扑材料的可能应用，包括它们在将热量转化为电能的热电装置中的应用。虽然这些设备已经用于为手表等小型设备供电，但它们的效率还不足以为手机或其他大型设备供电。

“我们研究过很多好的热电材料，它们都是拓扑材料，”李说。“如果他们能用磁性展示这种表现……它们将释放非常好的热电特性。例如，这将帮助他们在更高的温度下运行。目前，许多人只在非常低的温度下运行以收集废热。这样做的一个非常自然的结果是它们能够在更高的温度下工作。

更好地了解拓扑材料

德鲁克说，最终，这项研究指出了一个事实，即虽然拓扑半金属已经研究了多年，但对其性质的了解相对较少。

“我认为我们的工作突出了一个事实，当你观察这些不同的尺度并使用不同的实验来研究其中一些材料时，实际上有一些非常重要的热电、电和磁特性开始出现，”德鲁克说。“因此，我认为这也为我们如何将这些东西用于不同的应用提供了提示，而且还为其他基础研究提供了提示，以跟进我们如何更好地理解热波动的这些影响。

这项工作得到了美国能源部、科学办公室、基础能源科学的资助;美国国家科学基金会（NSF）设计材料以彻底改变和设计我们的未来计划;以及NSF融合加速器奖。