重塑磁性：麻省理工学院拓扑材料学研究迎来开创性进展

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麻省理工学院的研究人员展示了拓扑学如何帮助材料在更高温度下产生磁性。多年来，研究人员一直致力于了解某些半金属中的电子排列（或称拓扑学）和磁性，但令人沮丧的是，这些材料只有在冷却到绝对零度以上几度时才会显示出磁性。

最先进的 X 射线和中子光谱分析发现，拓扑材料晶体中拓扑奇异性的存在使磁性稳定在经典转变温度之上。图片来源：Ella Maru Studio

由麻省理工学院核科学与工程系副教授李明达领导，麻省理工学院量子测量组研究生助理研究员、哈佛大学应用物理学博士生内森-德鲁克（Nathan Drucker）与麻省理工学院量子测量组研究生 Thanh Nguyen 和 Phum Siriviboon 合著的一项新研究正在挑战这一传统观点。

这项公开发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的研究首次证明，拓扑结构可以稳定磁有序，甚至远高于磁转变温度--磁性通常会在这一点上瓦解。

德鲁克是这篇论文的第一作者，他说："我喜欢用这样一个比喻来描述为什么这能起作用，那就是想象一条河里满是圆木，圆木代表材料中的磁矩。要使磁性起作用，你需要所有这些圆木都指向同一个方向，或者它们之间有一定的规律。但在高温下，磁矩都朝向不同的方向，就像河流中的原木一样，磁性就会瓦解。"

他继续说："但这项研究的重要意义在于，实际上是水在发生变化。我们所展示的是如果改变水本身的特性，而不是原木的特性，就可以改变原木之间的相互作用，从而产生磁性。"

拓扑结构在增强磁性中的作用

Li说，从本质上讲，这篇论文揭示了在CeAlGe（一种由铈、铝和锗组成的奇异半金属）中发现的被称为Weyl节点的拓扑结构如何显著提高磁性器件的工作温度，从而为广泛的应用打开大门。

虽然拓扑材料已被用于制造传感器、陀螺仪等，但它们还被广泛应用于微电子、热电和催化设备等领域。Nguyen 说，这项研究展示了在更高温度下保持磁性的方法，为更多的可能性打开了大门。在这种材料和其他拓扑材料中，人们已经展示了许多机会。这表明了一种可以显著提高这些材料工作温度的通用方法。

加州理工学院物理、数学和天文学部物理学助理教授 Linda Ye 补充说，这一"相当令人惊讶和反直觉"的结果将对拓扑材料的未来工作产生重大影响。

研究工作表明，电子拓扑节点不仅在稳定静态磁序方面发挥作用，而且更广泛地说，它们可以在磁波动的产生方面发挥作用。由此得出的一个自然结论是，拓扑韦尔态对材料的影响可能远远超出人们之前的认识。

普林斯顿大学物理学教授安德烈-伯内维格对此表示赞同，称这一发现"令人费解，也非常了不起。众所周知，Weyls 节点受到拓扑学保护，但这种保护对相的热力学性质的影响并不十分清楚，麻省理工学院研究小组的论文表明，在有序温度之上的短程有序受该体系中出现的韦尔费米子之间的嵌套波矢量支配......这可能表明，韦尔节点的保护在某种程度上影响了磁波动！"

揭开磁性之谜

虽然这些令人惊讶的结果挑战了人们长期以来对磁性和拓扑学的理解，这是精心实验的结果，也是研究小组愿意探索那些可能被忽视的领域的结果。

"我们的假设是，在磁转变温度之上没有新的发现，"Li解释说。"我们使用了五种不同的实验方法，以一致的方式创造了这个全面的故事，并将这个谜团拼凑在一起。"
为了证明磁性在更高温度下的存在，研究人员首先在熔炉中将铈、铝和锗结合在一起，形成毫米大小的材料晶体。然后对这些样品进行了一系列测试，包括热导率和电导率测试，每项测试都揭示了这种材料不寻常磁性行为的线索。

德鲁克说："不过，我们还采用了一些更奇特的方法来测试这种材料。我们用一束与材料中的铈的能级相同的 X 射线照射这种材料，然后测量光束的散射情况。这些测试必须在能源部国家实验室的一个大型设备中进行。最终，我们不得不在三个不同的国家实验室做类似的实验，以证明那里存在这种隐藏的秩序，我们就是这样找到了最有力的证据。"

Nguyen 说，"部分挑战在于，在拓扑材料上进行此类实验通常非常困难，而且通常只能提供间接证据。在这种情况下所做的就是使用不同的探针进行多项实验，把它们放在一起，就能给我们一个非常全面的故事。在这种情况下，有五六条不同的线索，还有一大串仪器和测量结果都在这项研究中发挥了作用"。

影响和未来方向

展望未来，研究小组计划探索拓扑结构与磁性之间的关系能否在其他材料中得到证明。他们相信这一原理具有普遍性。因此，这可能存在于许多其他材料中，它拓展了我们对拓扑学作用的理解。我们知道它可以在增加导电性方面发挥作用，现在我们已经证明它也可以在磁性方面发挥作用。

未来的其他工作还将涉及拓扑材料的可能应用，包括它们在热电设备中的应用，这种设备可以将热量转化为电能。虽然这类设备已经用于为手表等小型设备供电，但其效率还不足以为手机或其他大型设备供电。

"我们已经研究了许多优秀的热电材料，它们都是拓扑材料，"Li说。"如果它们能用磁性显示出这种性能......它们将释放出非常好的热电特性。例如，这将有助于它们在更高的温度下运行。现在，许多太阳能电池只能在很低的温度下运行，以收集废热。这样做的一个非常自然的结果就是它们能够在更高的温度下工作"。

这项研究最终表明，虽然拓扑半金属材料已经研究了很多年，但人们对它们的特性了解相对较少。

德鲁克说："我认为，我们的工作凸显了这样一个事实：当你观察这些不同的尺度，并使用不同的实验来研究其中一些材料时，事实上，一些非常重要的热电、电学和磁学特性就会开始显现出来。因此，我认为这不仅为我们如何将这些东西用于不同的应用提供了提示，也为我们如何更好地理解这些热波动效应的其他基础研究提供了跟进。"