由狄拉克物理、金属磁、二维性、化学稳定性集于一身的奇异材料！

凝聚态物理和材料科学领域是紧密联系在一起的，因为新物理经常在具有特殊原子排列的材料中被发现。晶体在空间中有重复的原子单元，可以有特殊的图案，从而产生奇异的物理特性。特别令人兴奋的是拥有多种奇异特性的材料，因为它们让科学家有机会研究这些特性是如何相互作用和影响的。而这些组合可能会产生意想不到的现象，并推动多年的基础和技术研究。

现发表在《科学进展》期刊上的一项新研究中，一个由Mazhar N.Ali博士领导的国际科学家团队研究表明，一种名为KV3Sb5的新材料具有前所未有的性能组合，产生了有史以来最大的反常霍尔效应(AHES)；在2开尔文的温度下，每厘米有15500个西门子。KV3Sb5是在约翰·霍普金斯大学合著者Tyrel McQueen教授的实验室中发现的，它将四种特性结合到一种材料中：狄拉克物理、金属受挫磁性、二维可剥离性(如石墨烯)和化学稳定性。

在这个背景下，狄拉克物理学涉及到这样一个事实，即KV3Sb5中的电子不只是普通电子；它们以极低的有效质量以极快的速度移动。这意味着它们的行为“像光一样”；它们的速度正变得接近光速，行为就好像它们只有应该拥有的质量的一小部分。这导致这种材料是高度金属化的，大约15年前首次发现在石墨烯中。当一种材料中的磁矩（想象一下，当你把它们放在一起时，小条形磁铁试图彼此转动，并从北向南排成一行）以特殊的几何形状排列时：

多种特性结合

就会出现“受挫的磁性”，就像三角网一样。这种情况可能会使条形磁铁很难排成一条直线，使它们彼此抵消并保持稳定。具有这种特性的材料很少见，尤其是金属材料。大多数受挫的磁体材料都是电绝缘体，这意味着它们的电子不能移动。几十年来，金属受挫磁铁一直备受追捧。据预测，它们将容纳非传统的超导、马约拉纳费米子、用于量子计算等。在结构上，KV3Sb5具有二维的层状结构，其中三角形的钒和锑层松散地堆积在钾层的顶部。

这使得研究人员可以简单地使用胶带剥离几层(也称为薄片)一次。这一点非常重要，因为它能让科学家使用电子束光刻技术（就像用来制造计算机芯片的光刻技术，但使用的是电子而不是光子），从薄片中制造微小的设备，并测量人们不容易批量测量的特性。来自马克斯·普朗克微结构物理研究所的主要作者杨硕英说：我们很兴奋地发现，这些薄片在制造过程中相当稳定，这使得使用和探索许多性能相对容易。

有了这些特性的结合，研究小组首先选择在材料中寻找反常霍尔效应(AHE)。这种现象是有外加电场(但没有磁场)材料中的电子可以通过各种机制偏转90度的地方。理论上认为，具有三角形自旋排列的金属可以承载显著的外部效应，所以这是一个很好的起点。利用角度分辨光电子能谱、微器件制造和低温电子性能测量系统，AHE可以分为两大类：内在的和外在的。

反常霍尔效应

内在机制就像足球运动员通过弯曲球或电子，绕过一些后卫(而不与他们相撞)传球给他们的队友。外在的就像球在碰撞后从后卫或磁散射中心弹到一边。许多外在控制的材料在场上有一个随机排列的后卫，或者是在整个晶体中随机稀释的磁散射中心。KV3Sb5的特别之处在于它有3个磁散射中心组成的三角网。在这种情况下，球从一群后卫而不是一个后卫身上散开，比起只有一个挡路的情况，球更有可能偏向一边。

KV3Sb5的特别之处在于，它有3个磁散射中心组成的组，排列成三角形网。在这种情况下，球从一群后卫身上反弹，而不是单个后卫，更有可能偏向一侧，而不是只有一个挡路。这实质上就是研究人员在本材料中证明理论上的自旋——团簇偏向散射AHE机制。然而，入射球击中集群的条件似乎很重要；你或我踢球与克里斯蒂亚诺·罗纳尔多踢球的情况不同。当罗纳尔多踢它的时候，它移动得更快，从集群中反弹出来的速度也要快得多，比任何普通人踢它的速度都要快。

这就是这种材料中的狄拉克准粒子(罗纳尔多)与普通电子(普通人)之间的区别，这也与科学家为什么看到这么大的反常霍尔效应有关。这些结果还可能帮助科学家识别具有这种成分组合的其他材料。重要的是，支配这种反常霍尔效应的相同物理原理，也可以驱动非常大的自旋霍尔效应(SHE)，即不是产生正交的电荷电流，而是产生正交的自旋电流，这对于基于电子自旋而非电荷的下一代计算技术非常重要。

对科学家来说，这是一种新的游乐场材料：金属狄拉克物理，受挫的磁性，可剥落，化学稳定，集于一身。，有很多机会探索有趣的、奇怪的现象，比如非传统的超导等。

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博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.abb6003

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