物理学家探索了蜂巢状材料的“惊人”变形特性

诸平

By exposing a honeycomb-like material with a specific kind of magnetic field, yellow arrow, researchers can create order among the loop currents, light blue, within that material. Electrons, in green, can then pass through the material much more easily. Credit: Oak Ridge National Laboratory

据美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder简称UC Boulder）2022年10月12日报道，该校的研究人员探索了蜂巢状材料的“惊人”变形特性（Physicists probe 'astonishing' morphing properties of honeycomb-like material）。上述由美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）提供的照片，表示了通过将一种蜂巢状材料暴露在一种特定的磁场（黄色箭头）中，来探索蜂巢状材料的“惊人”变形特性。研究人员可以在这种材料中的环流（浅蓝色）之间建立秩序，电子（绿色）可以更容易地通过此材料。

一系列嗡嗡作响的蜜蜂状“环流（loop-currents）”可以解释最近发现的一种量子材料中前所未有的现象。科罗拉多大学博尔德分校（UC Boulder）研究人员的这一发现，也许有朝一日会帮助工程师开发新型设备，比如量子传感器或相当于计算机内存存储设备的量子设备。

所讨论的量子材料的化学式为Mn₃Si₂Te₆。但你也可以称之为“蜂巢”（ "honeycomb"），因为它的锰（Mn）和碲(Te)原子形成了一个互锁的八面体网络，看起来像蜂巢中的单元格。

2020年，UC Boulder的物理学家曹刚（Gang Cao音译）和他的同事在实验室合成了这种分子蜂巢，他们感到惊讶：在大多数情况下，这种材料的性能非常像绝缘体。换句话说，它不允许电流轻易通过。然而，当他们以某种方式将蜂巢暴露在磁场中时，蜂巢对电流的抵抗力突然降低了数百万倍。这种材料几乎就像是从橡胶变成了金属。

这项新研究的通讯作者、UC Boulder物理系教授曹刚说：“这既令人惊讶又令人费解。我们为更好地理解这些现象所做的后续努力，使我们获得了更令人惊讶的发现。”

现在，他和他的同事们认为他们可以解释这种惊人的行为。该研究小组包括几名UC Boulder的研究生，将相关研究结果于2022年10月12日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Yu Zhang, Yifei Ni, Hengdi Zhao, Sami Hakani, Feng Ye, Lance DeLong, Itamar Kimchi, Gang Cao. Control of chiral orbital currents in a colossal magnetoresistance material. Nature, Published: 12 October 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05262-3. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05262-3

参与此项研究的除了来自美国UC Boulder研究人员之外，还有来自美国乔治亚理工学院（Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA）、美国田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Lab, Oak Ridge, TN, USA）以及美国肯塔基大学（University of Kentucky, Lexington, KY, USA）的研究人员。

根据曹刚教授实验室的实验，该研究小组报告说，在某些条件下，蜂巢充满微小的内部电流，称为手性轨道电流（chiral orbital currents）或环流（loop currents）。在这种量子材料中，每个八面体中的电子都以环的形式穿梭。自20世纪90年代以来，物理学家们就提出了环流可能存在于少数已知材料中的理论，例如高温超导体（high-temperature superconductors），但他们还没有直接观察到它们。

曹刚说，他们能够推动量子材料发生惊人的转变，就像他和他的团队偶然发现的那样。“我们发现了一种新的量子态，它的量子跃迁几乎就像冰融化成水。”

巨变（Colossal changes）

这项研究基于物理学中一种称为巨磁电阻（colossal magnetoresistance简称CMR）奇怪的性质。

20世纪50年代，物理学家意识到，如果将某些类型的材料暴露在产生磁极化的磁体中，它们可能会使这些材料发生变化，从而使它们从绝缘体切换到更像导线的导体。今天，这项技术出现在计算机磁盘驱动器和许多其它电子设备中，它有助于控制和穿梭不同路径上的电流。

然而，所讨论的蜂窝状结构与那些材料有很大的不同，只有在避免相同的磁极化的条件下，才会发生CMR。曹刚补充道，电性能的变化也比你在任何其它已知CMR材料中看到的要极端得多。但“要实现这一改变，你必须违反所有常规条件。”

曹刚和他的同事，包括CU Boulder的研究生张宇（Yu Zhang音译）、倪逸飞（Yifei Ni音译）和赵恒迪（Hengdi Zhao），都想找出其原因何在。

融冰（Melting ice）

曹刚及其同事与乔治亚理工学院的合作者Itamar Kimchi一起，提出了环流的想法。根据该团队的理论，无数的电子始终在蜂巢内循环，追踪每个八面体的边缘。在没有磁场的情况下，这些环流倾向于保持无序，或以顺时针和逆时针模式流动。这有点像汽车同时从两个方向通过回旋处。曹刚说，这种无序会导致材料中电子的“交通堵塞（traffic jams）”，从而增加电阻，使蜂巢成为绝缘体。正如曹刚所言：“电子喜欢井然有序。”

然而，这位物理学家补充道，如果你在特定磁场存在的情况下将电流传递到量子材料中，那么环流将只开始向一个方向循环。换言之，交通堵塞消失了。一旦发生这种情况，电子就可以快速穿过量子材料，就像它是一根金属线一样。

曹刚说：“沿着八面体边缘循环的内环流非常容易受到外部电流的影响。当外部电流超过临界阈值时，它会中断并最终‘融化’环流，导致不同的电子状态。”

他指出，在大多数材料中，从一种电子态到另一种电子态的转换几乎是瞬间发生的，或在万亿分之一秒的范围内发生的。但在他的蜂巢中，这种转变可能需要几秒钟甚至更长的时间才能实现。

曹刚怀疑蜂巢的整个结构开始变形，原子之间的键断裂并以新的模式重组。他指出，这种重新排序需要异常长的时间，有点像冰融化成水时发生的情况。这项工作为量子技术提供了一个新的范例。目前，你可能不会在任何新的电子设备（electronic devices）中看到这种蜂巢。这是因为开关行为只在低温下发生。然而，他和他的同事正在寻找类似的材料，这些材料在更适宜的条件下也能起到同样的作用。曹刚说：“如果我们想在未来的设备中使用这种材料，我们需要有在室温下表现出相同行为的材料。”

现在，这种发现可能会引起轰动。此项工作得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation via grants no. DMR 1903888, DMR 2204811, PHY-1607611）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

控制量子材料磁行为的方法（Method to control magnetic behavior in quantum material）

Abstract

Colossal magnetoresistance (CMR) is an extraordinary enhancement of the electrical conductivity in the presence of a magnetic field. It is conventionally associated with a field-induced spin polarization that drastically reduces spin scattering and electric resistance. Ferrimagnetic Mn₃Si₂Te₆ is an intriguing exception to this rule: it exhibits a seven-order-of-magnitude reduction in ab plane resistivity that occurs only when a magnetic polarization is avoided^1,2. Here, we report an exotic quantum state that is driven by ab plane chiral orbital currents (COC) flowing along edges of MnTe₆ octahedra. The c axis orbital moments of ab plane COC couple to the ferrimagnetic Mn spins to drastically increase the ab plane conductivity (CMR) when an external magnetic field is aligned along the magnetic hard c axis. Consequently, COC-driven CMR is highly susceptible to small direct currents exceeding a critical threshold, and can induce a time-dependent, bistable switching that mimics a first-order ‘melting transition’ that is a hallmark of the COC state. The demonstrated current-control of COC-enabled CMR offers a new paradigm for quantum technologies.