“絕緣又導電”的Weyl半金屬

圖為掃描隧道電子顯微鏡下的Weyl半金屬表面電子的三維圖像。

材料牛注：近來，普林斯頓大學的研究人員在新晶體中發現了一種奇特的現象，與大多數材料電子從表面轉移不同，在這些新材料中，電子會進入晶體的深處并通過特殊的導電通道來通行，這一現象很可能會是未來電子技術的關鍵所在。

1909屆的物理學教授Ali Yazdani和他的同事在研究一種由層狀鉭和砷構成的晶體中的電子時，發現了奇怪的現象。一種名為Weyl的半金屬同時表現出了金屬和絕緣體的性質，即傳導電子和阻礙電子運動的特性。他們將這項研究發表在Science上。

Yazdani說：“這些電子運動就像兔子進洞一樣，從這邊進去，另一邊出來，你找不到第二種有類似特性的材料。”Yazdani團隊的實驗結果表明，只有以特定速度和方向運動（稱為Weyl動量）的表面電子才能進入晶體的內部。Yazdani說，“就好像有個電子在表面上單獨運動，當它達到那個特定的動量時，它就進入晶體內部然后從另一面出來。” 這個特殊的動量也稱為Weyl點，可以被認為是電子進入內部的門戶。其中，該理論認為這個點是成對出現的，以致離開的電子將能通過另一個伴隨點回來。

該小組決定開展有關這些電子行為的后續研究，結果分別由普林斯頓大學另外兩個獨立的團隊于去年發表在Science上，這一結果揭示出在Weyl半金屬中的電子是很不尋常的。例如，他們的實驗顯示，大多數材料表面的電子會產生波紋圖案，類似于石頭扔進池塘出現的那種擴散環紋路，但是這種新晶體材料表面的電子流圖案卻只有半個圈，大家稱其為“費米弧”。

為了獲取更加直觀的Weyl半金屬的電子流圖案，Yazdani實驗室的研究員Hiroyuki Inoue和András Gyenis在研究生Seong Woo Oh的幫助下，借助了能觀察晶體表面電子波的掃描隧道顯微鏡。但是結果令人費解。Yazdani說，“一些我們期望看到的干擾圖案都消失了。”

為了幫助解釋這種現象，Yazdani咨詢了拓撲材料領域的專家，普林斯頓大學物理學副教授B. Andrei Bernevig，他的團隊2015年發表在Physical Review上的論文，首次預言了Weyl半金屬。 Bernevig認為如果這些不尋常的材料中確實有大量電子進入晶體內部，那么觀察到的圖案是很有意義的。他說，“沒有人曾預言在掃描隧道顯微鏡中會存在這種類型的電子運動信息，所以它的出現是出乎人意料的。下一步，就需要在其他晶體中尋找類似的現象了。”

原文參考地址：Down the rabbit hole: How electrons travel through exotic new material.

感謝材料人編輯部杜征崢提供素材