晶体中发现具有连接和打结量子扭曲的电

随着物理学家更深入地研究量子领域，他们正在发现一个无穷小的世界，由一系列奇怪而令人惊讶的链接、结合缠绕组成。一些量子材料表现出称为天球的磁旋旋 - 独特的配置被描述为“亚原子飓风”。其他人则具有一种扭曲成漩涡的超导性。

现在，在《自然》杂志上发表的一篇文章中，普林斯顿大学领导的一个物理学家团队发现，量子物质中的电子可以以奇怪的新方式相互联系。这项工作以一种新的方式汇集了三个科学领域的想法 - 凝聚态物理学，拓扑学和结理论 - 提出了关于电子系统量子特性的意想不到的问题。

拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但不能内在改变的几何性质。拓扑量子态在2016年首次引起公众的注意，当时三位科学家，包括普林斯顿大学的托马斯·琼斯数学物理学教授邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane）和谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授，因其对电子材料拓扑学的理论预测而获得诺贝尔奖。

从那时起，研究人员一直试图扩大这一研究领域，以更深入地理解量子力学，例如在“量子拓扑学”领域，该领域试图解释电子的状态，如称为其波函数的性质所描述的那样。这是导致当前研究的催化剂，普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授、该研究的资深作者M. Zahid Hasan说。

“我们正在研究与电子波函数形状相关的性质，”哈桑说。“我们现在已经把这个领域带到了一个全新的领域。

这个新领域的基本组成部分是称为外尔环的量子力学结构，它涉及晶体中无质量电子波函数的绕组。

在2019年发表在《科学》杂志上的先前开创性工作中，在由钴，锰和镓组成的化合物中发现了无质量的Weyl环，化学式为Co2锰。这项研究由哈桑领导，包括这项新研究的许多作者。当时，他们明白无质量的Weyl环在施加的电场和磁场下产生奇异的行为。这些行为一直持续到室温。

就其本身而言，外尔环是众所周知的量子波函数绕组的一个例子。“物理学中以前的拓扑学例子通常涉及量子力学波函数的缠绕，”领导当前研究的哈桑说。“至少在过去十年中，这些一直是物理学界关注的焦点。这些想法源于该团队早期关于由铑和硅（RhSi）制成的晶体的工作，以及由铽，镁和锡元素（TbMn）制成的称为陈磁铁的材料。6锡6).这两项发现都是由哈桑教授的团队领导的，并于2019年在《自然》杂志上报道，然后在2020年发表在《自然》杂志上。

但是，Co的情况2事实证明，MnGa与传统拓扑理论中考虑的波函数绕组不同。“相反，我们在这里有链接的循环 - 我们新发现的打结拓扑具有不同的性质，并产生不同的数学链接数，”普林斯顿大学物理系的研究生，新研究的合著者Tyler Cochran说。

公司2MnGa材料由德国马克斯普朗克固体化学物理研究所的Claudia Felser教授和她的团队种植。

当普林斯顿大学团队计算并理解某些量子材料（如Co）时，一个重要的见解就出现了。2MnGa可以同时托管多个Weyl环路。“当多个Weyl循环共存时，人们很自然地问它们是否可以以某种方式连接和打结，”哈桑说。

Hasan团队的这一认识引发了关于链接的Weyl环的基本问题，并汇集了来自世界各地的光发射光谱学，数学拓扑学，量子材料合成和第一性原理量子计算方面的专家团队，以更深入地理解量子物质中的链接拓扑和结。

为了通过实验观察这种联系，国际团队合作了五年多，以扩展他们早期在拓扑磁体方面的工作。该团队在美国，瑞士，日本和瑞典的尖端同步辐射设施中进行了先进的光发射光谱实验。

“事实证明，这是一个令人着迷的难题，让我们迷上了一段时间，”该研究的第一作者Ilya Belopolski说，他以前是普林斯顿大学哈桑实验室的研究生，现在是日本东京附近RIKEN紧急物质科学中心的博士后研究员。“要解开这种精心设计的相关量子结构本身的复杂性，需要在世界领先的光谱设施中进行三年多的高精度和超高分辨率测量。
对实验数据的分析揭示了一个违反直觉的物体折叠在自己身上，并包裹在更高维度的环面上。“了解物体的结构需要在量子力学，数学拓扑学和结理论之间架起一座新的桥梁，”该研究的作者郭庆常说，他现在是新加坡南洋理工大学物理学助理教授。在普林斯顿大学与Hasan合作的前博士后研究员期间，Chang在2017年在《物理评论快报》上领导了链接拓扑学的早期理论研究之一。

事实上，研究小组发现，现有的材料量子理论无法充分解释这种结构的出现。但他们认识到，结理论可能有一些线索。

“我们开始意识到，结理论的某些方面在解释以前不被理解的拓扑材料的量子性质方面非常强大，”哈桑说。“这是我们知道的第一个例子，即结理论已被应用于理解拓扑磁体的行为。这非常令人兴奋。

这些发现继续扩展了物理学和拓扑学之间长达数十年的对话，这一次带来了新的数学思想来解释量子铁磁体的实验。“从历史上看，一些最重要的科学发现是在人类注意到数学与自然现象之间的新联系时出现的。在我们的实验中找到意想不到的微妙数学例子总是令人兴奋的，“哈桑说。“更重要的是，有趣的是，数学联系是在拓扑学领域，它在量子材料的研究中一次又一次地以不同的伪装不断出现。

研究人员打算将他们的研究扩展到多个方向。尽管哈桑和他的团队将精力集中在拓扑磁体的行为上，但他们认为该理论有可能帮助解释其他量子行为。“我们相信结理论也可以应用于许多其他拓扑导体，超导体，量子比特和许多其他东西，”他说。

虽然研究人员没有考虑实际应用——“我们参与了基础研究，”哈桑强调说——但他们的见解可能有助于量子计算的发展，特别是在开发新型拓扑量子比特方面。