几十年来，一个被称为kagome形式的编织物的专题曾经成为专注的物理学家。Kagome篮子平常由竹条编织成高度对称的交错，角落共享三角形图案。

假如可行使金属或其它导电资料在原子尺度上相似于这类kagome图案，此中各个原子以类似的三角形图案排列，理论上它应当具备奇异的电子特性。

在当然界发表的一篇论文中 ，来源麻省理工学院，哈佛大学和劳伦斯伯克利实验室的物理学家汇报说，它们初次制造了一个kagome金属 - 一个由铁和锡原子层构成的导电晶体，每个原子层以kagome格子的循环图案排列。

当它们在晶体内的kagome层上流过电流时，探讨人士观看到原子的三角形排列在经过电流中引起奇怪的，相似量子的举止。电子非是干脆流过晶格，却是在晶格内调转方向或弯曲。

这类举止是所谓的量子霍尔效应的三维表亲，此中流过二维资料的电子将体现出“手性拓扑状况”，此中他们弯曲成紧密的圆形路径并沿着边缘流动不失能量。

麻省理工学院物理学助理教授Joseph Checkelsky说：“经过建立具备固有磁性的kagome铁网站，这类异乎正常的举止持续到室温和更高温度。” “晶体中的电荷不但感触到来源这点原子的磁场，还感触到来源晶格的纯量子力学磁力。这可能导致在未来几代资料中十足传递，相似于超导性。“

为了探寻这点发觉，该团队运用Heinrich Hertz起首发觉并由爱因斯坦解释的现代版本的效应来测量晶体内的能谱，称为光电效应。

“从基本上说，电子起首从资料外表射出，接下来被检验为起飞角和动能的函数，”麻省理工学院物理学助理教授Riccardo Comin说。“因此发生的图像是电子占据的电子水准的十分干脆的快照，在这类概况下，它们揭示了差不多没有品质的'狄拉克'粒子的发生，光子的电荷版本，即光的量子。”

光谱显现电子流过晶体的形式表达原始没有品质电子得到了相对论品质，相似于称为大品质Dirac费米子的粒子。从理论上讲，这可行经过晶格的成分铁和锡原子的存留来解释。前者具备磁性，可发生“手性”或手性。后者具备较重的核电荷，发生大的局部电场。当外部电流流过时，它感知锡场非是作为电场却是作为磁场而弯曲。

探讨小组由Checkelsky和Comin以及探讨生Linda Ye和Min Gu Kang与Biedenharn物理学副教授梁福和博士后刘俊伟合作领导。该团队还包括Christina Wicker '17，麻省理工学院的探讨科学家Takehito Suzuki，哈佛大学的Felix von Cube和David Bell，以及Lawrence Berkeley实验室的Chris Jozwiak，Aaron Bostwick和Eli Rotenberg。

“不要炼金术”

几十年来，物理学家们曾经理论化了电子资料可行扶持具备固有磁性特征和晶格几何形状的奇异量子霍尔举止。直到几年前，探讨人士才在实现这点资料方面取得了进展。

“社区意识到，为何不让体系摆脱磁性，接下来体系固有的磁性可能会推进这类举止，”那时正好东京大学担任探讨员的Checkelsky说。

这消除了对观测到这类举止所需的实验室制造场的要求，平常是地球磁场强度的100万倍。

“几个探讨小组能够以这类形式诱导量子霍尔效应，但依然处于超越一律零度几度的超冷温度 - 这是将磁性物质磁化成不会当然产生的资料的结果，”Checkelsky说。

在麻省理工学院，Checkelsky曾经寻到了用“内在磁性”来推进这类举止的方法。由Evelyn Tang博士15和温小刚教授的博士事业推进的要害见解是在kagome格子中寻求这类举止。 。为这，第一作者Ye将铁和锡一同研磨，接下来在炉中加热所得粉末，在约750摄氏度发生晶体 - 铁和锡原子更喜爱以相似kagome的形式排列的温度。接下来，她将晶体浸入冰浴中，使晶格图案在室温下维持稳固。

“kagome图案有相当大的空白体积，可能很简单用手编织，但在结晶固体中常常不固定，由于他们更喜爱原子的最好堆积，”Ye说。“这边的技艺是用一个在高温下至少稳固的构造中的第二种原子填充这点缝隙。实现这点量子资料不要炼金术，却是须要资料科学和耐心。“

弯曲和跳过零能量损耗

一朝探讨人士生成了几个大约1mm宽的晶体样本，它们就会将样品交给哈佛大学的合作者，它们运用透射电子显微镜对每个晶体中的各个原子层发展成像。获得的图像显现每层内的铁和锡原子的排列相似于kagome晶格的三角形图案。详细而言，铁原子位于每个三角形的拐角处，而单个锡原子位于交错三角形之中发生的较大六边形体积内。

接下来，叶片经过晶体层流过电流，并经过他们发生的电压监测他们的流动。虽然晶体具备三保持性，但她发觉电荷以一个看似二维的形式偏转。最准确的证据来源一同第一作者Kang的光电子实验，他与LBNL团队合作，能够声明电子光谱对应于有用的二维电子。

“当咱们用心观看电子乐队时，咱们发觉了少许与众不同的东西，”康补充道。“这类磁性资料中的电子体现为大批的狄拉克粒子，这是很久从前就曾经预测过的，但在这点体系中从未瞧过。”

“这类资料交织磁性和拓扑构造的特异能力表达他们可能会发生其它紧急景象，”Comin说。“咱们的下一种指标是检验和操纵边缘状况，这是这点新发觉的量子电子相的拓扑性质的结果。”

展望未来，该团队正好探讨稳固其它更高维度的二维kagome晶格构造的方法。这点资料，假如他们可行被合成，不但可行用于探寻具备零能量损耗的装置，比如没有耗散的电力线，况且还可行用于量子计算的利用。

“关于量子消息科学的新方向，大家越来越关心具备没有耗散和手性路径的新款量子电路，”Checkelsky说。“这点kagome金属为实现这类量子电路新平台提供了新的资料设置门径。”