物理学家预测奇异的新现象并给出实现它们的秘诀

麻省理工学院的科学家们已经证明，凝聚态物理学中两个以前独立的领域可以结合起来，产生新的奇异现象，这可能会带来重要的新物理学，这些新物理学在计算机科学等领域的应用可能令人振奋。

这项工作是理论上的，但研究人员很高兴与实验学家合作来实现预测的现象。该团队在24月<>日出版的《科学进展》上发表的一篇论文中包含了实现这一最终目标的必要条件。

“这项工作最初是一个理论推测，结局比我们希望的要好，”麻省理工学院物理系教授、这项工作负责人梁福说。傅先生还隶属于材料研究实验室。他的同事是物理学研究生Nisarga Paul和博士后Yang Zhang，他现在是田纳西大学的教授。

2D 材料

目前的工作以2D材料的最新进展为指导，或者仅由一层或几层原子组成的材料。“二维材料的整个世界非常有趣，因为你可以堆叠它们并扭曲它们，并与它们一起玩乐高积木以获得具有不寻常特性的各种酷炫的三明治结构，”该论文的第一作者保罗说。

反过来，这些三明治结构被称为摩尔纹材料。麻省理工学院物理学教授Pablo Jarillo-Herrero开创了该领域的摩尔纹石墨烯，该石墨烯由两片原子薄的石墨烯层组成，彼此重叠并以轻微的角度旋转。

另外，其他科学家已经推进了2D磁体领域。

如果将2D磁体和摩尔纹材料这两个领域结合起来会发生什么?这是当前工作的重点。

具体来说，该团队预测，由两层2D磁铁组成的结构，顶部是一层2D半导体材料，将产生一种称为平带的现象，其中半导体中的电子静止不动。“这是理论上具有挑战性的部分，因为要求电子并不是一件非常简单的事情。他们想四处走动。而且需要大量的微调才能让他们静止不动，“保罗说。

然而，让电子静止可以让它们“真正地相互交谈。这就是我们领域(凝聚态物理学)所有真正有趣的事情发生的时候，“保罗继续说道。

它是如何工作的?

这项研究的关键是一种称为skyrmion的奇异粒子，它涉及称为自旋的电子特性(电子的另一个更熟悉的特性是它们的电荷)。自旋可以被认为是一个基本磁铁，其中原子中的电子就像以某种方式定向的小针。在冰箱上的磁铁中，旋转都指向同一个方向。

在天空中，自旋形成结状的漩涡，分布在材料的表面上。重要的是，skyrmions是拓扑对象，或者那些即使受到大变形也不会改变的性质。(2016年，诺贝尔奖授予了发现物质拓扑相的三位科学家。这意味着skyrmions的未来应用将非常强大，或者难以中断，可能会带来更好的计算机内存存储形式。

麻省理工学院的研究小组预测，2D磁体层中的skyrmions将“印记”在半导体层中的电子上，赋予它们类似skyrmion的特性。这些特性也会阻止半导体电子的运动，从而产生平坦的带。

迈向食谱

在《科学进展》的论文中，物理学家还定义了创建具有扁平带的磁铁半导体结构的最佳条件。

张杨使用一种称为密度泛函理论的方法预测了哪些材料允许半导体中的电子与磁铁中的Skyrmions之间产生最强的相互作用。“对于有趣的事情发生，你需要一层中的电子才能真正感受到另一层的天空，”保罗说。“这是通过称为邻近交换或J的参数来量化的。所以杨正在寻找一种具有大J的材料组合。

他发现最好的组合涉及在三溴化铬(磁铁)层上涂一层二硫化钼(半导体)。Paul说：“这两个材料家族的典型组合将具有大约一到两个毫电子伏特的J。杨发现这种特定的组合具有大约七毫电子伏特的J。这是巨大的。

该团队进一步确定了某种“神奇”的磁化水平，这也是实现强平带的关键。

两位没有参与这项工作的专家评论了这项工作的重要性。

华盛顿大学的Xiaodong Xu说：“通过摩尔超晶格设计扁平电子频段已经成为探索[各种不寻常]效应的强大技术。[该团队]提出了一种通过将2D半导体与2D磁摩尔纹相结合来创建拓扑平坦带的创新方法。这种方法的吸引力在于[团队的预测]使实验实现可行。这无疑会激励众多实验团队。

马克斯普朗克研究所的Inti Sodemann说：“作者已经证明了在这些[结构]非常平坦的拓扑陈带中进行工程设计的可能性。这些扁平带具有实现奇异状态的巨大潜力，这些奇异状态可能是构建拓扑量子计算机的潜在平台。

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