【資料圖】
拓?fù)淞孔硬牧媳灰暈楣?jié)能電子和未來(lái)高科技的希望燈塔。這些材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是能夠在其表面?zhèn)鲗?dǎo)自旋極化電子，而在內(nèi)部則不導(dǎo)電。從這個(gè)角度來(lái)看： 在自旋極化電子中，固有角動(dòng)量，即粒子（自旋）的旋轉(zhuǎn)方向，并不是純粹隨機(jī)排列的。
研究人員利用 X 射線（圖中綠色部分），在金屬 TbV6Sn6 上創(chuàng)造出了三維電影般的效果。通過(guò)這種方法，他們成功追蹤到了電子（圖中的藍(lán)色和黃色）的行為，并在理解量子材料方面向前邁進(jìn)了一步。圖片來(lái)源：J?rg Bandmann/ct.qmat)
為了區(qū)分拓?fù)洳牧虾蛡鹘y(tǒng)材料，科學(xué)家們習(xí)慣于研究它們的表面電流。然而，電子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其量子力學(xué)波特性和自旋密切相關(guān)。現(xiàn)在，這種關(guān)系已經(jīng)通過(guò)光電效應(yīng)得到了直接證明--在光的作用下，電子從金屬等材料中釋放出來(lái)。
維爾茨堡ct.qmat 的創(chuàng)始成員、該項(xiàng)目的理論物理學(xué)家之一喬治-桑焦萬(wàn)尼（Giorgio Sangiovanni）教授將這一發(fā)現(xiàn)比作用3D眼鏡來(lái)觀察電子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。他解釋說(shuō)"電子和光子可以被量子力學(xué)地描述為波和粒子。因此，電子具有自旋，我們可以利用光電效應(yīng)測(cè)量電子的自旋。
為此，研究小組使用了圓偏振 X 射線光--具有轉(zhuǎn)矩的光粒子。桑焦萬(wàn)尼詳細(xì)解釋道："當(dāng)光子遇到電子時(shí)，量子材料發(fā)出的信號(hào)取決于光子是右旋還是左旋。換句話說(shuō)，電子自旋的方向決定了左旋光束和右旋光束之間信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。因此，我們可以把這個(gè)實(shí)驗(yàn)想象成 3D 電影院里的偏振眼鏡，在那里也會(huì)使用不同方向的光束。我們的"3D 眼鏡"讓電子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)"。
由維爾茨堡-德累斯頓卓越研究小組ct.qmat（量子物質(zhì)中的復(fù)雜性和拓?fù)鋵W(xué)）領(lǐng)導(dǎo)的這一突破性實(shí)驗(yàn)及其理論描述，是從拓?fù)鋵W(xué)角度描述量子材料特征的首次成功嘗試。桑焦萬(wàn)尼指出了粒子加速器在實(shí)驗(yàn)中的重要作用，他說(shuō)："我們需要同步加速器來(lái)產(chǎn)生這種特殊的 X 射線光，并創(chuàng)造出"3D 電影"效果"。
研究人員歷時(shí)三年，終于取得了這一巨大成功。他們的起點(diǎn)是量子材料"Kagome"金屬 TbV6Sn6。在這一類特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窩狀晶格，其結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到日本的花籃編織。鹿目金屬在ct.qmat的材料研究中發(fā)揮著重要作用。
"在我們的實(shí)驗(yàn)同事開(kāi)始同步加速器實(shí)驗(yàn)之前，我們需要模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以確保我們走在正確的軌道上。第一步，我們?cè)O(shè)計(jì)了理論模型，并在超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行了計(jì)算，"項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、理論物理學(xué)家 Domenico di Sante 博士說(shuō)，他同時(shí)也是維爾茨堡合作研究中心（SFB）1170 ToCoTronics 的準(zhǔn)成員。測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)完全吻合，使研究小組能夠直觀地看到并確認(rèn)可果美的金屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
參與該研究項(xiàng)目的科學(xué)家來(lái)自意大利（博洛尼亞、米蘭、的里雅斯特、威尼斯）、英國(guó)（圣安德魯斯）、美國(guó)（波士頓、圣巴巴拉）和維爾茨堡。用于模擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)在慕尼黑，同步加速器實(shí)驗(yàn)在的里雅斯特進(jìn)行。"Sangiovanni教授總結(jié)道："這些研究成果完美地詮釋了理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)協(xié)同工作所能產(chǎn)生的非凡成果。
關(guān)鍵詞：
科學(xué)家用量子材料產(chǎn)生類似"3D眼鏡"的視角將拓?fù)洳牧峡梢暬?/span> 
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