量子突破能否開啓可持續手性自旋電子新時代

紐約城市學院的 Lia Krusin-Elbaum 所帶領的一組物理學家研發出了一種新技術，該技術藉助氫離子（H+）來操控磁性外爾半金屬中的相對論電子能帶結構——這是一種拓撲材料，其中電子效仿被稱爲外爾費米子的無質量粒子。這些粒子的特點是它們的手性或“旋向性”與它們的自旋和動量有關。

在磁性材料 MnSb₂Te₄ 裡，研究人員揭示出一種引人入勝的能力，也就是通過引入氫離子來“調整”並增強電子傳輸的手性，按照需求重塑材料內被稱爲外爾節點的能量景觀。這一發現或許能爲利用新興拓撲態的新型手性納米自旋電子學和容錯量子計算開拓出廣泛的新量子器件平臺。這項題爲“範德華拓撲磁體中 Weyl 節點的可調傾斜產生的傳輸手性”的研究發表在《自然通訊》雜誌上。

利用 H+ 對 Weyl 節點進行調諧修復了系統（Mn-Te）的鍵的無序狀態，並降低了節點間的散射。在這一過程中——城市學院團隊在 Krusin 實驗室藉助角分辨電輸運進行了測試——當平面內磁場順時針或逆時針旋轉時，電荷的移動方式不同，產生了理想的低耗散電流。重新塑造的 Weyl 態具有兩倍的居里溫度，並且其強角輸運手性與罕見的場反對稱縱向電阻同步——一種基於拓撲貝里曲率、手性異常以及氫介導的 Weyl 節點相互作用的低場可調節的“手性開關”。

“這項工作的主要進展是擴大了設計師拓撲量子材料的範圍，超越了自然的藍圖。通過與缺陷相關的途徑，由氫或其他輕元素促成的可調諧拓撲能帶結構增加了探索和利用具有驚人宏觀行爲的拓撲相的可用平臺的數量，爲未來量子器件中潛在的顛覆性手性實現開闢出了一條道路，”紐約城市學院科學系教授克魯辛-埃爾鮑姆說。

克魯辛實驗室的研究重點是探索新的量子現象，如量子反常霍爾（QAH）效應，它描述了一種在其表面的離散通道中傳導無耗散電流的一種絕緣體、二維超導性和具有量化熱傳輸的軸子態現象，如果這些能夠實現工業化，那麼都有可能推進節能技術。克魯辛 - 埃爾鮑姆和她的團隊表示，他們展示的技術通用性很強，最終可能提升本徵拓撲磁體在改變未來量子電子學方面的潛力。