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普林斯顿大学研究人员领导的一个国际团队发现了一类新的磁体，它表现出新颖的量子效应，并延伸到室温。

研究人员在一个原始磁体中发现了一种量化拓扑相。他们的发现为一个30年前的电子如何自发量化的理论提供了见解，并展示了一种发现新拓扑磁体的原则性证明方法。量子磁体是无耗散电流、高存储容量和未来绿色技术的前景平台。这项研究发表在本周的《Nature》杂志上。

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理，这是拓扑效应的一种形式，是年诺贝尔物理学奖的主题。这是理论数学的一个分支，即拓扑学，第一次开始从根本上改变对构成我们周围世界的物质的描述和分类方式。从那时起，拓扑相就在科学和工程中得到了密集的研究。许多具有拓扑电子结构的新量子材料已经被发现，包括拓扑绝缘体和Weyl半金属。然而，虽然一些最令人兴奋的理论想法需要磁性，但大多数探索的材料都是非磁性的，并且没有显示出量化，使得许多诱人的可能性没有得到满足。

发现一种具有量化行为的磁性拓扑材料是向前迈出的重要一步，它可以开启利用量子拓扑学进行未来基础物理和下一代器件研究的新视野，领导研究团队的普林斯顿大学尤金-希金斯物理学教授M.ZahidHasan说。

自从发现第一个三维拓扑绝缘体的例子以来，Hasan和他的团队一直在长达十年的时间里寻找一种也可能在室温下运行的拓扑磁量子态。最近，他们在一种能够在室温下工作的kagome晶格磁体中找到了Haldane猜想的材料解决方案，这种磁体也表现出了人们非常想要的量子化。kagome晶格可以被设计成拥有相对论带交叉和强电子-电子相互作用。这两者都是新颖磁性的必要条件。“因此，我们意识到kagome磁体是一个很有前途的系统，在其中寻找拓扑磁相，因为它们就像我们之前研究的拓扑绝缘体一样。Hasan说。

长期以来，这种现象的直接材料和实验可视化仍然难以实现。研究团队发现，大多数kagome磁体的合成难度太大，磁性还没有被充分理解，无法观察到拓扑或量化的决定性实验信号，或者它们只能在很低的温度下工作。

合适的原子化学和磁性结构设计加上第一原理理论是使邓肯-哈尔丹的推测预测在高温环境下成为现实的关键一步。Hasan说。kagome磁体有上百种，我们既需要直觉、经验、特定材料的计算，也需要紧张的实验努力，最终找到合适的材料进行深入探索。而这也让我们走过了长达十年的历程。

通过多年对多个拓扑磁体家族的研究，团队逐渐意识到，一种由铽、镁和锡元素组成的材料（TbMn6Sn6）具有理想的晶体结构，具有化学纯净、量子力学特性和空间分离的kagome晶格层。此外，它还具有独特的强平面外磁化特征。随着这种理想的kagome磁体在大单晶层面上被合作者北京大学ShuangJia小组成功合成，Hasan小组开始系统地进行最先进的测量，以检查晶体是否具有拓扑结构，更重要的是，它具有所需的奇异量子磁态。

普林斯顿研究团队使用了一种被称为扫描隧道显微镜的先进技术，这种技术能够在亚原子尺度上以亚毫伏能量分辨率探测材料的电子和自旋波函数。在这些微调的条件下，研究人员确定了晶体中的磁卡格原子，这些发现被最先进的具有动量分辨率的角度分辨光发射光谱进一步证实。

第一个惊喜是，在我们的扫描隧道显微镜中，这种材料中的磁性kagome晶格是超级干净的，今年早些时候在普林斯顿获得博士学位的该研究的合著者SongtianSoniaZhang说。这种无缺陷磁卡格的实验可视化为探索其固有的拓扑量子特性提供了前所未有的机会。

真正神奇的时刻是研究人员打开磁场的时候。他们发现，kagome晶格的电子状态发生了剧烈的调制，以一种符合狄拉克拓扑学的方式形成了量化能级。通过逐步将磁场提高到9特斯拉，比地球磁场高出数十万倍，他们系统地绘制出了这种磁体的完整量化。找到一个以量化图为特征的拓扑磁系统是极其罕见的，目前还没有发现一个。它需要近乎无缺陷的磁性材料设计、微调的理论和尖端的光谱测量，该研究的共同作者、研究生NanaShumiya说。

该团队测量的量化图提供了精确的信息，揭示了电子相位与Haldane模型的变体相匹配。它证实了该晶体具有自旋极化的狄拉克色散，具有较大的切尔恩间隙，正如拓扑磁体的理论所预期的那样。然而，仍然缺少一块拼图。如果这真的是一个切尔恩间隙，那么基于基本的拓扑体边界原理，我们应该在晶体边缘观察到手性（单向交通）状态，Hasan说。

当研究人员扫描磁体的边界或边缘时，最后一块落到了实处。他们发现只有在切尔恩能隙内才有边缘态的清晰特征。沿着晶体的侧面传播，没有明显的散射（这揭示了它的无耗散特性），该状态被确认为手性拓扑边缘态。这种状态的成像在以往任何拓扑磁体的研究中都是前所未有的。

研究人员进一步使用其他工具来检查和再次确认他们对Chern间隙狄拉克费米子的发现，包括异常霍尔缩放的电输运测量、动量空间狄拉克色散的角度分辨光发射光谱，以及材料家族中拓扑秩序的第一原理计算。这些数据提供了一个完整的相互关联的证据谱，所有的证据都指向这个kagome磁体中量子极限切恩相的实现。所有的碎片都能组合成一本教科书，证明了切恩加磁狄拉克费米子的物理学原理，该研究的研究生和共同第一作者TylerA.Cochran说。

现在，该小组的理论和实验重点正在转移到与TbMn6Sn6结构相似的几十种化合物上，这些化合物承载着具有各种磁性结构的kagome晶格，每个晶格都有其独立的量子拓扑结构。我们对量子极限切恩相的实验可视化展示了发现新拓扑磁体的原则性验证方法，该研究的另一位共同第一作者、高级博士后研究员Jia-XinYin说。

这就像发现外星球中的水一样，它开辟了我们普林斯顿实验室一直在优化的拓扑量子物质研究的新领域，Hasan说。

论文标题为《Quantum-limitCherntopologicalmagnetisminTbMn6Sn6》。