科学家用量子材料产生类似"3D眼镜"的视角将拓扑材料可视化

拓扑量子材料被视为节能电子和未来高科技的希望灯塔。这些材料的一个显著特点是能够在其表面传导自旋极化电子，而在内部则不导电。从这个角度来看： 在自旋极化电子中，固有角动量，即粒子（自旋）的旋转方向，并不是纯粹随机排列的。

研究人员利用 X 射线（图中绿色部分），在金属 TbV6Sn6 上创造出了三维电影般的效果。通过这种方法，他们成功追踪到了电子（图中的蓝色和黄色）的行为，并在理解量子材料方面向前迈进了一步。图片来源：Jörg Bandmann/ct.qmat)

为了区分拓扑材料和传统材料，科学家们习惯于研究它们的表面电流。然而，电子的拓扑结构与其量子力学波特性和自旋密切相关。现在，这种关系已经通过光电效应得到了直接证明--在光的作用下，电子从金属等材料中释放出来。

维尔茨堡ct.qmat 的创始成员、该项目的理论物理学家之一乔治-桑焦万尼（Giorgio Sangiovanni）教授将这一发现比作用3D眼镜来观察电子的拓扑结构。他解释说"电子和光子可以被量子力学地描述为波和粒子。因此，电子具有自旋，我们可以利用光电效应测量电子的自旋。

为此，研究小组使用了圆偏振 X 射线光--具有转矩的光粒子。桑焦万尼详细解释道："当光子遇到电子时，量子材料发出的信号取决于光子是右旋还是左旋。换句话说，电子自旋的方向决定了左旋光束和右旋光束之间信号的相对强度。因此，我们可以把这个实验想象成 3D 电影院里的偏振眼镜，在那里也会使用不同方向的光束。我们的'3D 眼镜'让电子的拓扑结构清晰可见"。

由维尔茨堡-德累斯顿卓越研究小组ct.qmat（量子物质中的复杂性和拓扑学）领导的这一突破性实验及其理论描述，是从拓扑学角度描述量子材料特征的首次成功尝试。桑焦万尼指出了粒子加速器在实验中的重要作用，他说："我们需要同步加速器来产生这种特殊的 X 射线光，并创造出'3D 电影'效果"。

研究人员历时三年，终于取得了这一巨大成功。他们的起点是量子材料"Kagome"金属 TbV6Sn6。在这一类特殊材料中，原子晶格混合了三角形晶格和蜂窝状晶格，其结构让人联想到日本的花篮编织。鹿目金属在ct.qmat的材料研究中发挥着重要作用。

"在我们的实验同事开始同步加速器实验之前，我们需要模拟实验结果，以确保我们走在正确的轨道上。第一步，我们设计了理论模型，并在超级计算机上进行了计算，"项目负责人、理论物理学家 Domenico di Sante 博士说，他同时也是维尔茨堡合作研究中心（SFB）1170 ToCoTronics 的准成员。测量结果与理论预测完全吻合，使研究小组能够直观地看到并确认可果美的金属拓扑结构。

参与该研究项目的科学家来自意大利（博洛尼亚、米兰、的里雅斯特、威尼斯）、英国（圣安德鲁斯）、美国（波士顿、圣巴巴拉）和维尔茨堡。用于模拟的超级计算机在慕尼黑，同步加速器实验在的里雅斯特进行。"Sangiovanni教授总结道："这些研究成果完美地诠释了理论物理学和实验物理学协同工作所能产生的非凡成果。