Loop Currents in Honeycomb

分子蜂巢:物理学家探索蜂窝状量子材料的“惊人”变形特性

蜂窝中的回路电流

通过用特定类型的磁场(黄色箭头)暴露蜂窝状材料,研究人员可以在该材料内的回路电流(浅蓝色)之间建立秩序。 然后,绿色的电子可以更容易地穿过材料。 图片来源:橡树岭国家实验室

最近在一种量子材料中发现的前所未见的现象可以用一系列嗡嗡作响的蜜蜂状“回路电流”来解释。 科罗拉多大学博尔德分校(CU Boulder)物理学家的这一发现有朝一日可能会帮助工程师开发新型设备,例如量子传感器或计算机内存存储设备的量子等价物。

所讨论的特定量子材料由化学式Mn已知326. 然而,你也可以简单地称它为“蜂窝”,因为它的锰和碲原子形成了一个互锁的八面体网络,看起来就像蜂箱中的细胞。

“我们发现了一种新的物质量子态。 它的量子跃迁几乎就像冰融化成水一样。” — 曹刚

2020 年,当 CU Boulder 的物理学家曹刚和他的同事在实验室合成这种分子蜂巢时,他们大吃一惊:在大多数情况下,这种材料的行为很像绝缘体。 这意味着它不允许电流轻易通过它。 然而,当他们以某种方式将蜂窝暴露在磁场中时,它突然变得对电流的抵抗力降低了数百万倍。 就好像这种材料已经从橡胶变成了金属。

“这既令人惊讶又令人费解,”新研究的通讯作者、物理系教授曹说。 “我们为更好地理解这一现象所做的后续努力使我们有了更令人惊讶的发现。”

他和他的同事现在相信他们可以解释这种惊人的行为。 该小组包括 CU Boulder 的几名研究生,在该杂志上发表了其最新成果 自然 10 月 12 日。

根据曹实验室的实验,研究小组报告说,在某些条件下,蜂窝中充满了微小的内部电流,称为手性轨道电流或环电流。 电子在这种量子材料中的每个八面体内循环移动。 自 1990 年代以来,物理学家推测回路电流可能存在于少数已知材料中,例如高温超导体,但他们尚未直接观察到它们。

曹说,他们能够推动量子材料的惊人转变,就像他和他的团队偶然发现的那样。

“我们发现了一种新的物质量子态,”曹说。 “它的量子跃迁几乎就像冰融化成水一样。”

巨大的变化

该研究关注物理学中的一种奇怪特性,称为巨磁阻 (CMR)。

在 1950 年代,物理学家意识到,如果他们将某些类型的材料暴露于产生磁极化的磁体中,他们可以使这些材料发生转变——使它们从绝缘体转变为更像线状的导体。 今天,这项技术出现在计算机磁盘驱动器和许多其他电子设备中,它有助于控制和穿梭沿不同路径的电流。

然而,所讨论的蜂窝与那些材料有很大不同——只有在条件避免了同一种磁极化时才会发生 CMR。 曹补充说,电气特性的变化也比你在任何其他已知的 CMR 材料中看到的要极端得多。

“你必须打破所有常规条件才能实现这种改变,”曹说。

冰川融化

他和他的同事,包括 CU Boulder 的研究生张宇、倪一飞和赵恒迪,想找出原因。

他们与乔治亚理工学院的合著者 Itamar Kimchi 一起提出了回路电流的想法。 根据该团队的理论,无数电子始终在它们的蜂窝内循环,追踪每个八面体的边缘。 在没有磁场的情况下,这些回路电流往往会保持无序状态,或者以顺时针和逆时针两种模式流动。 这有点像汽车同时在两个方向行驶通过环形交叉路口。

曹说,这种紊乱会导致在材料中传播的电子出现“交通堵塞”,从而增加电阻并使蜂窝成为绝缘体。

正如曹所说:“电子喜欢秩序。”

然而,这位物理学家补充说,如果你在存在特定类型的磁场的情况下将电流传递到量子材料中,则回路电流将开始仅在一个方向上循环。 换句话说,交通拥堵消失了。 一旦发生这种情况,电子就可以快速穿过量子材料,就好像它是一根金属线一样。

“沿着八面体边缘循环的内部回路电流非常容易受到外部电流的影响,”曹说。 “当外部电流超过临界阈值时,它会破坏并最终‘融化’回路电流,从而导致不同的电子状态。”

他指出,在大多数材料中,从一种电子状态到另一种电子状态的转换几乎是瞬间发生的,或者在万亿分之一秒的时间内发生。 但在他的蜂窝中,这种转变可能需要几秒钟甚至更长的时间才能发生。

曹怀疑蜂窝的整个结构开始变形,原子之间的键断裂并重新形成新的模式。 他指出,这种重新排序需要非常长的时间——有点像冰融化成水时发生的情况。

曹说,这项工作为量子技术提供了新的范式。 目前,您可能不会在任何新的电子设备中看到这种蜂巢。 这是因为切换行为只发生在低温下。 然而,他和他的同事们正在寻找类似的材料,这些材料可以在更友好的条件下做同样的事情。

“如果我们想在未来的设备中使用它,我们需要有在室温下表现出相同类型行为的材料,”曹说。

现在,这种发明可能是值得关注的。

参考文献:“巨磁阻材料中手性轨道电流的控制”,作者:Yu Zhang、Yifei Ni、Hengdi Zhao、Sami Hakani、Feng Ye、Lance DeLong、Itamar Kimchi 和 Gang Cao,2022 年 10 月 12 日, 自然.
DOI: 10.1038/s41586-022-05262-3


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