让电毫无损失地流过电网，这个梦想已经被“外尔半金属”打开！

文：博科园

想象一下这样一个世界：电力可以毫无损失地流过电网，或者世界上所有的数据都可以存储在云中，而不需要发电站。这似乎难以想象，但随着一种具有神奇特性的新材料家族的发现，通往这样一个梦想的道路已经打开。这些材料（磁性Weyl（外尔）半金属）天生是量子的，但在拓扑和自旋电子学的两个世界之间架起了桥梁。拓扑材料表现出奇怪的性质，包括没有任何能量损失的超快电子。另一方面，磁性材料对于我们的日常生活必不可少，从电动车的磁铁到每个硬盘驱动器中的自旋电子设备。

磁性Weyl半金属(WSM)的概念曾在空气中出现，但真正的生活材料，现在由德累斯顿MPI CPfS主任Claudia Felser团队在两种截然不同的化合物中实现-Co2MnGa和Co3Sn2S2。为了找到这些非同寻常的材料，Felser团队扫描了材料数据库，并提出了一份有希望的候选名单。通过对Co2MnGa和Co3Sn2S2的电子结构研究，证明了这些材料是磁性Weyl半金属。来自MPI CPfS的Claudia Felser团队和MPI微观结构物理Stuart Parkin团队的科学家Halle与普林斯顿的M.Zahid Hasan的团队，牛津大学的Ylin Chen的团队，以及魏茨曼科学研究所的Haim Bedenkopf团队合作。在发表在《科学》期刊上的三篇论文中，实验证实了磁性Weyl半金属 Fermions在这两种材料中的存在。首次利用角分辨光电子能谱(ARPES)和扫描隧道显微镜(STM)实验，观察到时间反转对称性破缺的磁性Weyl半金属态，这是通过在MPI CPfS生长的高质量单晶得以实现。磁性Weyl半金属的发现是朝着实现高温量子和自旋电子效应迈出的一大步。Halle Max Planck微结构物理研究所总经理Stuart Parkin说：

这两种材料分别属于高度可调谐的Heusler和Shandite家族，是未来各种自旋电子和磁光技术应用的理想平台，用于数据存储、信息处理以及能量转换系统中的应用。Co2MnGa和Co3Sn2S2中的磁性拓扑态，对反常量子输运效应的起源起着至关重要的作用，这是由于它们的拓扑态具有很强的Berry曲率。利用Weyl节点线和节点带结构，Co2MnGa和Co3Sn2S2是目前已知仅有两个同时具有大反常霍尔电导率和反常霍尔角的材料实例。材料具有高阶温度、清晰的拓扑带结构、低电荷载流子密度和强电磁响应的天然优势。

通过磁性Weyl半金属的量子限制来设计一种具有高温量子反常霍尔效应(QAHE)的材料，并将其集成到量子器件中是下一步的研究目标。磁性Weyl半金属的发现是实现室温QAHE的一大步，也是新能量转换概念“量子反常霍尔效应”的基础，量子反常霍尔效应能够通过固有自旋极化的手性边缘态实现无耗散传输。在室温下实现QAHE将是革命性的，因为它克服了当今许多基于数据的技术限制，这些技术受到电子散射引起的巨大功率损失影响，这将为新一代低能耗量子电子和自旋电子设备铺平道路。