麻省理工學院的研究人員展示了拓撲學如何幫助材料在更高溫度下產生磁性。多年來，研究人員一直致力於了解某些半金屬中的電子排列（或稱為拓撲學）和磁性，但令人沮喪的是，這些材料只有在冷卻到絕對零度以上幾度時才會顯示出磁性。

最先進的X 射線和中子光譜分析發現，拓撲材料晶體中拓撲奇異性的存在使磁性穩定在經典轉變溫度之上。圖片來源：Ella Maru Studio

由麻省理工學院核子科學與工程系副教授李明達領導，麻省理工學院量子測量組研究生助理研究員、哈佛大學應用物理學博士生內森-德魯克（Nathan Drucker）與麻省理工學院量子測量組研究生Thanh Nguyen 和Phum Siriviboon 合著的一項新研究正在挑戰這一傳統觀點。

這項公開發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上的研究首次證明，拓樸結構可以穩定磁有序，甚至遠高於磁轉變溫度–磁性通常會在這一點上瓦解。

德魯克是這篇論文的第一作者，他說：「我喜歡用這樣一個比喻來描述為什麼這能起作用，那就是想像一條河裡滿是圓木，圓木代表材料中的磁矩。要使磁性起作用，你需要所有這些圓木都指向同一個方向，或者它們之間有一定的規律。但在高溫下，磁矩都朝向不同的方向，就像河流中的原木一樣，磁性就會瓦解。”

他繼續說：”但這項研究的重要意義在於，實際上是水在變化。我們所展示的是如果改變水本身的特性，而不是原木的特性，就可以改變原木之間的相互作用，從而產生磁性。”

拓樸結構在增強磁性中的作用

Li說，從本質上講，這篇論文揭示了在CeAlGe（一種由鈰、鋁和鍺組成的奇異半金屬）中發現的被稱為Weyl節點的拓撲結構如何顯著提高磁性裝置的工作溫度，從而為廣泛的應用打開大門。

雖然拓撲材料已被用於製造感測器、陀螺儀等，但它們也被廣泛應用於微電子、熱電和催化設備等領域。Nguyen 說，這項研究展示了在更高溫度下保持磁性的方法，為更多的可能性打開了大門。在這種材料和其他拓撲材料中，人們已經展示了許多機會。這表明了一種可以顯著提高這些材料工作溫度的通用方法。

加州理工學院物理、數學和天文學部物理學助理教授Linda Ye 補充說，這一”相當令人驚訝和反直覺”的結果將對拓撲材料的未來工作產生重大影響。

研究工作表明，電子拓撲節點不僅在穩定靜態磁序方面發揮作用，而且更廣泛地說，它們可以在磁波動的產生方面發揮作用。由此得出的一個自然結論是，拓樸韋爾態對材料的影響可能遠遠超出人們先前的認知。

普林斯頓大學物理學教授安德烈-伯內維格對此表示贊同，稱這一發現”令人費解，也非常了不起。眾所周知，Weyls 節點受到拓撲學保護，但這種保護對相的熱力學性質的影響並不十分清楚，麻省理工學院研究小組的論文表明，在有序溫度之上的短程有序受該體系中出現的韋爾費米子之間的嵌套波矢量支配……這可能表明，韋爾節點的保護在某種程度上影響了磁波動！”

揭開磁性之謎

雖然這些令人驚訝的結果挑戰了人們長期以來對磁性和拓撲的理解，這是精心實驗的結果，也是研究團隊願意探索那些可能被忽視的領域的結果。

“我們的假設是，在磁轉變溫度之上沒有新的發現，”Li解釋。”我們使用了五種不同的實驗方法，以一致的方式創造了這個全面的故事，並將這個謎團拼湊在一起。”

為了證明磁性在更高溫度下的存在，研究人員首先在熔爐中將鈰、鋁和鍺結合在一起，形成毫米大小的材料晶體。然後對這些樣品進行了一系列測試，包括熱導率和電導率測試，每項測試都揭示了這種材料不尋常磁性行為的線索。

德魯克說：”不過，我們也採用了一些更奇特的方法來測試這種材料。我們用一束與材料中的鈰的能階相同的X 射線照射這種材料，然後測量光束的散射情況。這些測試必須在能源部國家實驗室的一個大型設備中進行。最終，我們不得不在三個不同的國家實驗室做類似的實驗，以證明那裡存在這種隱藏的秩序，我們就是這樣找到了最有力的證據。”

Nguyen 說，”部分挑戰在於，在拓撲材料上進行此類實驗通常非常困難，而且通常只能提供間接證據。在這種情況下所做的就是使用不同的探針進行多項實驗，把它們放在一起，就能給我們一個非常全面的故事。在這種情況下，有五六條不同的線索，還有一大串儀器和測量結果都在這項研究中發揮了作用”。

影響和未來方向

展望未來，研究團隊計劃探索拓樸結構與磁性之間的關係能否在其他材料中得到證明。他們相信這原理具有普遍性。因此，這可能存在於許多其他材料中，它拓展了我們對拓樸學作用的理解。我們知道它可以在增加導電性方面發揮作用，現在我們已經證明它也可以在磁性方面發揮作用。

未來的其他工作還將涉及拓撲材料的可能應用，包括它們在熱電設備中的應用，這種設備可以將熱量轉化為電能。雖然這類設備已經用於為手錶等小型設備供電，但其效率不足以為手機或其他大型設備供電。

“我們已經研究了許多優秀的熱電材料，它們都是拓樸材料，」Li說。「如果它們能用磁性顯示出這種性能……它們將釋放出非常好的熱電特性。例如，這將有助於它們在更高的溫度下運行。現在，許多太陽能電池只能在很低的溫度下運行，以收集廢熱。這樣做的一個非常自然的結果是它們能夠在更高的溫度下工作”。

這項研究最終表明，雖然拓樸半金屬材料已經研究了很多年，但人們對它們的特性了解相對較少。

德魯克說：”我認為，我們的工作凸顯了這樣一個事實：當你觀察這些不同的尺度，並使用不同的實驗來研究其中一些材料時，事實上，一些非常重要的熱電、電學和磁學特性就會開始顯現出來。因此，我認為這不僅為我們如何將這些東西用於不同的應用提供了提示，也為我們如何更好地理解這些熱波動效應的其他基礎研究提供了跟進。 “