磁性材料可以hold住狡猾的韋爾費米子

材料牛注：韋爾費米子，作為一種無質量粒子，可存在于具有特定磁序和強自旋-耦合效應的材料中。鋨基材料可產生韋爾費米子，或可為運行速度更快的電子設備的產生提供可能。

美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學的科學家通過中子衍射和X射線研究發現：難以捉摸的韋爾（Weyl）費米子或存在于磁晶體結構中。

發表于Nature Communications中的一篇文章中提到：研究團隊通過研究含有密集鋨元素的材料，記錄了韋爾費米子的兩種形成條件。1929年，這一無質量粒子的存在便得到預測，但直到2015年才在實驗中首次發現。此后，研究人員便開始尋找其他可以承載這種無質量粒子的材料，以期利用它們在自旋電子學和計算應用程序（如量子計算機）方面的獨特性質。

“一旦你擁有了可以承載無質量粒子的材料，它們在其間的運動就如同電子一樣。但因沒有質量，它們比電子更快。”橡樹嶺國家實驗室研究團隊的第一作者Stuart Calder這樣說道。“因為所有的電子工業都基于電子，如果我們用韋爾費米子來代替這些電子，從原理上來說，我們可以獲得運行速度更快的設備。”

為了更清晰地定義具有燒綠石晶體結構的鋨基材料的磁序，橡樹嶺國家實驗室能源部辦公室的科學家們在高通量同位素反應堆上進行了中子衍射研究。結果表明：這種材料具有“全向內”或者“全向外”的磁序。此磁序即為產生韋爾費米子的兩個條件之一。“實驗結果很好地描述了電子的自旋和排列：或者全部指向中心，或者全部沿中心指出。中子是用來確定磁結構最好的標準物質。因為具有小尺寸的自旋，這些材料的磁峰都很弱。因此必須使用專業的設備才能夠觀察到。”Calder?如此說。

第二個條件是具有強的自旋-軌道耦合效應。作為所有原子都有的性質，自旋-軌道耦合可描述電子自旋和其繞核運動的關系。一般來說，原子越大，電子密度越大，就會展現出越強的自旋-軌道耦合效應。但是，盡管此材料中的鋨是密度很大的重元素，但其電子構型卻被認為會消除自旋-軌道效應。

美國能源部辦公室的研究人員在阿貢國家實驗室使用先進的X射線分析光源進行X射線分析，有力地證明了鋨酸鹽燒綠石材料具有強的自旋-軌道耦合效應。“此前，人們認為燒綠石材料中鋨的自旋-軌道耦合效應十分微弱，甚至可以忽略。這是人們有史以來第一次利用X射線觀察到鋨基材料中強的自旋-軌道耦合效應，這正是我們所做的。”Calder?說。

Calder認為， 研究團隊的工作雖然不能直接證明鋨酸鹽材料中存在韋爾費米子，但結果顯示這種材料確實可以作為潛在的載體。“因為具有磁性基態和強烈的自旋-軌道耦合效應，此種材料具備韋爾費米子產生的條件。很多人研究銥基材料，只因為其具有可以促成“新物理學”到來的自旋-軌道耦合效應。現在看來，鋨基材料也值得人們的同樣關注！”

原文鏈接Magnetic material could host wily Weyl fermions

本文由編輯部王宇提供素材，侯倩翻譯，薛文嘉審核。