研究發(fā)現(xiàn)磁性材料可以容納狡猾的Weyl費米子

由能源部橡樹嶺實驗室和田納西大學領導的科學家小組進行的中子和X射線研究顯示，磁性晶體結構中可能存在難以捉摸的無質量粒子。

在Nature Communications發(fā)表的一篇論文中，研究小組研究了一種含有致密元素鋨的材料，并記錄了Weyl費米子存在所需的兩個條件 - 在1929年預測的無質量粒子，并在2015年首次實驗觀察。研究人員正在尋找其他可以承載粒子的材料，目的是利用其在自旋電子學和量子計算機等高級計算應用中的獨特屬性。

“一旦你擁有了一種載有這些粒子的物質，它們就像電子一樣，但由于它們沒有質量，因此行進得更快，”ORNL的團隊研究的第一作者Stuart Calder說。“由于所有電子產品都是以電子為基礎，如果用這些Weyl費米子代替電子，原則上你可以擁有更快的器件。”

科學家們在ORNL的DOE科學用戶設施辦公室High Flux Isotope Reactor進行了中子衍射研究，以明確定義具有燒綠石晶體結構的鋨基材料的磁性順序。他們發(fā)現(xiàn)它具有“全進，全出”的磁性順序 - 這種材料含有Weyl費米子的兩個要求之一。

“它描述了電子的旋轉以及它們如何排列; 他們都指向中心或他們都指出，“考爾德說。“中子是確定磁結構的標準和最佳方法。這些材料中的磁峰很弱，因為它們的旋轉尺寸較小，所以你必須使用像我們這里看到的那樣的儀器。“

第二個標準是強自旋 - 軌道耦合，即所有原子的特性，它描述了電子的自旋及其在原子周圍的運動是如何相互聯(lián)系的。通常，具有更多電子的較大原子表現(xiàn)出更強的自旋軌道效應。但是這種材料中的鋨雖然是一種重且致密的元素，卻具有一種電子配置，可以消除自旋軌道效應。

研究人員在阿貢實驗室的DOE科學用戶設施Advanced Photon Source使用X射線分析發(fā)現(xiàn)了鋨酸鹽燒綠石材料中強烈的自旋 - 軌道耦合的證據(jù)。

“預計在這種燒綠石材料中應該抑制或忽略鋨中的自旋 - 軌道耦合效應，”Calder說。“但這是第一次用這種X射線技術測量鋨基材料。X射線的目的是尋找強旋轉軌道耦合的特征，這就是我們所看到的。“

Calder警告說，研究小組的研究并不是鋨酸鹽材料中Weyl費米子的直接證據(jù)，但它確實表明該材料是潛在的宿主。

“它顯示了材料的磁性基態(tài)和強旋轉軌道耦合的存在，這些都是這些Weyl費米子所必需的，”他說。“很多人只關注銥基材料來承載旋轉軌道耦合效應，可以為你提供新的物理效果。這表明鋨基材料也很重要。“