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由日本理化學研究所新興物質(zhì)科學研究中心強關聯(lián)量子輸運實驗室領導的國際團隊，首次成功合成了理想的外爾半金屬，標志著困擾量子材料領域十年的難題取得突破性進展。相關研究成果發(fā)表于最新一期《自然》雜志。外爾費米子是由晶體中電子的集體量子激發(fā)產(chǎn)生的。據(jù)預測，它們能展現(xiàn)出奇異的電磁特性，因此引起全球范圍內(nèi)的廣泛關注?？茖W家在過去十年中對數(shù)千種晶體進行了深入研究，但大多數(shù)外爾半金屬的電導性主要由不具備拓撲或特殊性質(zhì)的電子主導，從而掩蓋了外爾費米子的行為。此次，團隊終于合成了一種僅含有一對外爾費米子且不存在無關電子態(tài)的金屬材料。團隊從拓撲半導體中設計出了外爾半金屬。這一策略最初于2011年從理論上提出，但隨后被學界擱置。半導體具有較小的“能隙”，使其能夠在絕緣態(tài)和導電態(tài)之間切換，成為商用晶體管的基礎。半金屬可以看作是一種極限的半導體，其“能隙”為零，處于絕緣體和金屬之間的臨界點。在現(xiàn)實材料中，這種極端情況極為罕見。最著名的例子可能是石墨烯，已在莫爾物理學和柔性電子學中得到應用。該研究中使用的拓撲半導體為碲化鉍。團隊以高度可控的方式調(diào)整了材料的化學成分，用鉻替代了鉍，從而合成了（Cr,Bi）2Te3。他們對這種材料中巨大的反?；魻栃械胶闷?，因為它預示著拓撲半導體之外的新物理現(xiàn)象。與以往的外爾半金屬不同，（Cr,Bi）2Te3獨特的簡單電子結(jié)構(gòu)使團隊能夠利用精確的理論定量解釋實驗，并根據(jù)出現(xiàn)的巨大反常霍爾效應做出推斷。團隊表示，這一現(xiàn)象正是由材料內(nèi)部新出現(xiàn)的外爾費米子所引起。