在数学里，拓扑学（topology）是一门研究拓扑空间的学科，主要研究空间内，在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科，它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

量子拓扑物质研究是将量子力学和拓扑学相结合的一门新兴研究领域，通过量子力学原理，运用拓扑学数学工具，主要是对物质的微观基础机理的研究。

由普林斯顿大学研究人员领导的一个国际团队，发现了一种展现出奇异量子效应的拓扑磁铁，这种新型的磁体具有可扩展至室温的新型量子效应。

展现出奇异量子效应的拓扑磁铁

研究人员在原始磁铁中发现了量子化的拓扑相，他们的发现提供了对具有30年历史的电子自发量子化理论的深刻见解，并证明了一种发现新拓扑磁体的原理验证方法。量子磁体是实现无损耗电流、高存储容量和未来绿色技术的有前途的平台。该最新研究论文发表在昨天的《自然》杂志上。

论文共同第一作者与通讯作者、尹嘉欣（Jia-XinYin）为在普林斯顿大学物理系拓扑量子物质和高级光谱学实验室从事博士后研究的中国学者，在该研究论文作者中还包括另外16名中国学者。

该论文研究主导、扎希德·哈桑（M.ZahidHasan）、普林斯顿大学物理学教授、美国科学研究院院士，孟加拉国裔科学家，以对具有拓扑和突变性质的量子物质的开创性研究而闻名，被评为“当代最具影响力的科学思维头脑”之一，发表了多篇研究论文被广泛引用，是外尔（Weyl）拓扑半金属发现方法的美国专利的发明人。

这一发现的根源在于量子霍尔效应的工作原理，这种形式的拓扑效应是年诺贝尔物理学奖的主题。这是理论数学的第一个分支——拓扑学，首次从根本上开始改变描述和分类构成周围世界的事物的方式。从那时起，在科学和工程领域就对拓扑阶段进行了深入研究。

量子霍尔效应

已发现许多具有拓扑电子结构的新型量子材料，包括拓扑绝缘体和Weyl半金属。尽管一些最令人兴奋的理论需要磁性，但是所探索的大多数材料都是非磁性的，并且没有量化，因此许多诱人的可能性无法实现。

，邓肯·霍尔丹（DuncanHaldane），英裔美国物理学家，普林斯顿大学物理学教授，因“在物质的拓扑相变和拓扑相领域的理论性发现”而与戴维·索利斯以及约翰·科斯特利茨共同获得了诺贝尔物理学奖。随后的理论发展表明，以特殊的原子排列，称为笼目晶格（kagomelattice）容纳拓扑绝缘子的磁性可以容纳一些最奇怪的量子效应。

笼目晶格（kagomelattice）

自从他们发现了三维拓扑绝缘子的第一个例子以来，哈桑团队一直在寻找可能在室温下工作的拓扑磁量子态，这一过程长达十年之久。最近，他们发现了能够在室温下工作的笼目晶格磁体中的材料解决方案，该磁体表现出了人们所期望的量化。“笼目晶格可以被设计为具有相对论性能带交叉和强电子-电子相互作用。两者对于新型磁性都是必不可少的。因此，研究团队到，笼目磁体是一种有前途的系统，可在其中寻找拓扑磁体相，就像它们我们之前研究过的拓扑绝缘子。”

长期以来，这种现象的直接材料和实验可视化一直难以捉摸。研究小组发现，大多数笼目磁铁太难合成，对磁性的了解还不够，无法观察到拓扑或量化的决定性实验特征，或者它们只能在非常低的温度下工作。

通过对拓扑磁体的多个系列的多年深入研究，研究小组逐渐意识到，由铽、镁和锡元素（TbMn6Sn6）制成的材料具有理想的晶体结构，具有化学、量子力学性质和空间分布隔离的笼目晶格层。此外，它独特地具有强大的面外磁化强度。北京大学贾爽研究小组成功地在大型单晶水平上合成了这种理想的笼目磁铁，哈桑小组开始进行系统的最新技术测量，以检查晶体是否具有拓扑结构，更重要的是，具有所需的特征外来量子磁态。

展现出奇异量子效应的拓扑磁铁

如上面动画所示，箭头表示从笼目晶格指向上方的电子自旋。手性由逆时针方向的火圈表示，该火圈表示磁体边缘上正在传播的电子/电流。这两个锥体表明，磁体的大部分包含狄拉克费米子（能带的线性或圆锥形色散），并具有能隙（切恩隙），使其具有拓扑结构。

该研究团队使用了一种称为扫描隧道显微镜的先进技术，该技术能够在亚原子级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性笼目晶格原子，这一发现进一步得到了动量分辨率的最新角度分辨光发射光谱的证实。

真正的神奇时刻是研究人员打开磁场的那一刻。他们发现，笼目晶格的电子状态发生了剧烈的调制，从而以与Dirac拓扑一致的方式形成了量化的能级。通过逐渐将磁场提高到9特斯拉（比地球磁场高数十万倍），他们系统地绘制出了该磁体的完整量化信息，测量的量化图提供了精确的信息。

研究人员进一步使用其他工具来检查并确认他们的发现，数据提供了完整的相互联系的证据谱。现在，该小组的理论和实验重点转移到了数十种与TbMn6Sn6具有相似结构的化合物，这些化合物具有具有各种磁性结构的笼目晶格，每个晶格都有其各自的量子拓扑。该研究的共同第一作者尹佳欣说：我们的这一研究“证明了一种发现新的拓扑磁体的原理方法。”

哈桑评价说：“发现具有定量行为的磁性拓扑材料是向前迈出的重要一步，可以为利用量子拓扑为未来的基础物理学和下一代设备研究开辟新的视野。”这种展现出奇异量子效应的拓扑磁铁的重大发现，“就像在系外行星中发现水一样，这开辟了拓扑量子物质研究的一个新的领域。”

参考：Jia-XinYinetal,Quantum-limitCherntopologicalmagnetisminTbMn6Sn6,Nature().DOI:10./s---7量子认知

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